Bài giảng Môn Vật lý lớp 12 - Thí nghiệm biểu diễn bộ thí nghiệm mômen quán tính của vật rắn

Thí nghiệm biểu diễn
BỘ THÍ NGHIỆM MÔMEN QUÁN TÍNH CỦA VẬT RẮN
I. Mục đích thí nghiệm
- Xác định mômen quán tính của vật rắn quay quanh một trục cố định. 
- Nghiệm lại công thức tính mômen quán tính của một số vật rắn có hình dạng đặc biệt. 
II. Dụng cụ thí nghiệm
 	1. Ròng rọc nằm ngang (đường kính 80mm).
	2. Cổng quang điện.
	3. Đồng hồ đo thời gian hiện số.
	4. Trụ đứng (bằng nhôm, kích thước 25x35x600mm, có thước chia độ).
	5. Quả nặng hình trụ khối lượng m=30g.
	6. Hộp công tắc điều khiển đồng hồ đo thời gian hiện số.
	7. Biến thế nguồn.
	8. Vật rắn: các vật làm bằng thép gồm: 
	- Hình nón, khối lượng 500g, đường kính 60mm.
	- Hình cầu đường kính 50mm.
	- Hình trụ đặc có 3 loại (300g, đường kính 40mm; 250g, đường kính 40mm; 500g, đường kính 80mm).
	- Hình trụ rỗng, đường kính trong 30mm, đường kính ngoài 40mm, cao 10mm.
III. Tiến hành thí nghiệm
Bố trí thí nghiệm như hình 1:
- Các cổng quang điện được nối với đồng hồ đo thời gian, nam châm điện được nối vào đồng hồ qua hộp công tắc. Dùng gia trọng để tạo ra mômen lực và đo gia tốc của quả nặng để suy ra gia tốc góc và mômen quán tính của hệ.
- Cuốn dây vào đĩa sao cho quả nặng treo ở đầu dây chạm vào nam châm.
- Để đồng hồ ở chế độ MODE AB. Đặt cổng quang điện 1 ở vị trí 5cm, cổng quang điện 2 ở vị trí 20cm. Ấn công tắc chop quả nặng chuyển động xuống, đồng hồ chỉ thời gian chuyển động qua hai cổng quang điện.
- Đặt cổng quang điện 1 ở vị trí 20cm, cổng quang điện 2 ở vị trí 45cm. Ấn công tắc cho quả nặng chuyển động xuống, đồng hồ chỉ thời gian chuyển động qua hai cổng quang điện.
Ta có t1=t2 nên có thể khẳng định quả nặng chuyển động nhanh đàn đều.
- Tính gia tốc quả nặng rồi suy ra gia tốc góc của vật rắn quay.
1. Xác định mômen quán tính của vật rắn.
Cách đo mômen quán tính của vật rắn bất kỳ được tiến hành như sau:
- Sử dụng gia trọng khối lượng m, không đặt vật nào trên đĩa để tiến hành thí nghiệm đo mômen quán tính ban đầu của hệ là I0, ta có:
- Đặt vật lên đĩa, lặp lại thí nghiệm, ta có:
- Khối lượng m của gia trọng, bán kính r của đĩa và gai tốc trọng trường g đã biết. Từ thí nghiệm ta đo được a và a0, từ đó ta tính được I.
2. Nghiệm lại công thức tính mômen quán tính của một số vật rắn có hình dạng đặc biệt.
	Để nghiệm lại công thức tính mômen quán tính của một vật rắn có hình dạng nào đó, trước hết ta tính mômen quán tính của vật đó bằng công thức, sau đó đo mô men quán tính của nó bằng thí nghiệm như trình bày ở trên. Đối chiếu kết quả lý thuyết và thực nghiệm để khẳng định tính đúng đắn của công thức lý thuyết. Sử dụng bộ thí nghiệm này chúng ta có thể nghiệm lại công thức mô men quán tính đối với trục quay đối xứng của một số vật rắn có hình dạng đặc biệt: hình trụ đặc, hình trụ rỗng, hình cầu, hình nón.
	- Vật dẫn hình trụ đặc: (R là bán kính đáy)
	- Hình trụ rỗng: (R1 và R2 là bán kính trong và bán kính ngoài)
- Hình trụ đặc: (R là bán kính của hình cầu)
- Hình nón đặc: (R là bán kính đáy)