Excel在刚体转动惯量实验的应用

周晓红 刘国营 毛书哲 陈 伟

湖北汽车工业学院 湖北十堰 442002

Excel在刚体转动惯量实验的应用

周晓红 刘国营 毛书哲 陈 伟

湖北汽车工业学院 湖北十堰 442002

刚体转动惯量的测定是大学物理实验中一个重要的实验项目。在数据处理时要求利用作图法计算各物理量，Excel软件在作图及数据计算方面有独特的优势，利用Excel处理数据，既提高数据处理效率，也将计算机的应用引入大学物理实验中，体现其优越性。

刚体转动惯量；Excel作图；数据处理

刚体转动惯量是动力学中一个重要的概念，其实验测量方法有多种。本实验室采用动力学法测量刚体转动惯量，实验中要求学生利用作图法计算出待测刚体的转动惯量及其阻力矩。在教学中，笔者发现，采用手工计算数据、绘制图形，然后线性拟合，比较耗时间，效率不是很高。于是，尝试着适当引入计算软件计算数据、绘制图形，可解决这一问题。鉴于Excel有强大的数据处理及图表功能，而且不涉及编程等知识，所以作为实验课堂教学中数据处理软件的首选。

1 实验原理

形状不规则的刚体其转动惯量采用数学计算比较困难，故一般采用实验方法来测定。本实验中不规则的刚体系由不同半径的塔轮、两边对称的细杆以及细杆上的重锤组成，此刚体系绕转轴OO′ 转动，实验装置如图1所示。当质量为m的砝码下落时，刚体所受的合外力矩为∑M=M-M′，其中M为细线对刚体系所施加的动力矩，M′为阻力矩，由刚体的转动定律得

其中I为刚体的转动惯量，α为刚体的角加速度。设塔轮半径为r，砝码m下落高度h所用的时间为t，加速度，重力加速度为g，而a=rα ，故

保持g＞＞a，并略去a，则有

图1

实验时，保持其他条件均不发生变化，改变砝码质量m，每次增加5.00 g砝码，测量下落时间t。下面介绍利用Excel处理数据、绘制图形的方法。

2 Excel处理数据

表1 保持r、h不变，改变m测t

（1）将表1中的数据输入Excel的A列和B列。A列为自变量，B列为应变量m，如图2所示。

图2

（2）将鼠标放置在A（B）列任一位置，在菜单栏点击“插入”，选中“图表”选项，进入“图表向导—步骤1”，选中“XY散点图”，点击“下一步”。

（3）进入“图表向导—步骤2”，关于“数据区域”和“系列”的设置，因为前一步光标已经选取在数据区域内，故此步骤可直接默认，点击“下一步”即可。

（4）进入“图表向导—步骤3”，可在“标题”选项，填入图表的标题，X轴及Y轴的名称等。后续的四个选项“坐标轴”“网格线”“图例”和“数据标志”等选项的设置方法与上述相同，点击“下一步”即可。

（5）进入“图表向导—步骤4”，设置图表位置，在“sheet1”工作表中，之后点击“完成”后，得到初始的图形及数据点。

（6）选中图形中任一数据点，点击右键，在对话框中选中“添加趋势线”，然后在“类型”对话框中选中“线性”，在“选项”对话框中可以设置“显示公式”，“趋势预测”等内容。

（7）话框中点击“确认”后，即可得到本次实验的线性图形，如图3所示。

图3

3 误差分析

（1）实验理论分析时，保持g＞＞a，并略去a，在这一点上做了理论近似；

（2）实验操作时，由于采用秒表计时，在开始掐表和停止掐表时，人的反应时间大概有0.4 s ～0.5 s，由表1可知，当m越大，下落时间越短，引起的误差就越大；

（3）在绘制线性图形时采用了近似计算、线性拟合的方法，得到数据之间的变化趋势，求出的是两者之间的经验公式，故在结果上会有一定的偏差。

4 结束语

通过将Excel引入到数据计算和分析，可以看出，计算机绘图与传统人工绘图具有不可比拟的优势。

（1）提高计算效率；

（2）计算机出图的团工整精确；

（3）修改比传统绘图容易，错了直接后退一步，而人工绘图错一步就要重新画；

（4）所需要的工具仅一台电脑即可。

将计算机作图与实验建立联系，使计算机软件能更好地为实验教学服务。

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Application of Excel in the Experiment of Moment of Inertia of Rigid Body Based on Proteus Simulation

Zhou Xiaohong， Liu Gongying， Mao Shuzhe， Chen Wei
Hubei University Of Automotive Technology， Shiyan， 442002， China

The determination of solid moment of inertia is an important experiment in university physics experiment project， the data processing requires using mapping method to calculate various quantities. Excel software has unique advantages in drawing and data calculation. It is not only improving the effciency of data processing， but also introduces the application of computer in physics experiment when using the Excel data processing， that demonstrates its superiority.

solid moment of inertia； Excel drawing； data processing

2015-04-13

周晓红，硕士，实验师。