張虹雪，陳雪芹，樊 婷，朱傳清，鄒宜君，李春秀，謝程鋒，王海燕，汪仕元，朱 俊，李 娟，王維果

（四川大學(xué)a.高分子學(xué)院；b.材料工程學(xué)院；c.電氣信息學(xué)院；d.物理學(xué)院，四川成都610064）

1 引 言

在單擺測(cè)定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，由于擺線離角度尺較遠(yuǎn)，操作者依靠目測(cè)調(diào)節(jié)擺線的平衡位置，既費(fèi)時(shí)間又不準(zhǔn)確，由于擺球的初始運(yùn)動(dòng)由操作者手動(dòng)控制而受許多不確定因素影響，所以導(dǎo)致擺球的擺動(dòng)軌跡常常是橢圓而不在一個(gè)平面內(nèi).有時(shí)即使是在鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)也難以保證該平面和角度尺平行，擺動(dòng)夾角也就不準(zhǔn)確，以致降低重力加速度的測(cè)量精度[1].

為了解決以上問題，筆者設(shè)計(jì)了單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置，可以快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)單擺的平衡位置、擺動(dòng)角度，并控制擺球在平行于角度尺的鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而簡化了實(shí)驗(yàn)操作，提高了測(cè)量精度.

2 單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置簡介

2.1 設(shè)計(jì)思想

單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置由擺線指針和擺線定位板組成.擺線指針安裝在單擺儀的立柱上，并過角度尺的零度鉛垂延長線，垂直于角度尺，可以前后滑動(dòng).限位螺母確定擺線指針的針尖和擺線懸掛點(diǎn)在調(diào)試時(shí)處于同一鉛垂線上，擺線定位板安裝在角度尺上.擺線角度缺口尖角處和懸掛點(diǎn)、擺線指針的針尖構(gòu)成平行于角度尺的鉛垂平面，擺線定位板偏向立柱一側(cè)并和角度尺的角度刻線重合以確定擺動(dòng)角度.開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，擺線指針的針尖向擺線伸出直到設(shè)定的極限位置，操作者通過底座螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)使擺線剛好從擺線指針的針尖處垂下，調(diào)好后將擺線指針退后以免影響擺線運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)擺線定位板到選定的角度刻線處固定，操作者牽引擺球使擺線剛好達(dá)到擺線定位板的擺線角度缺口處，松開手后擺球開始擺動(dòng).需要改變角度時(shí)，只需將擺線定位板移動(dòng)到相應(yīng)的角度刻度線位置即可.

2.2 單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置的結(jié)構(gòu)如圖1－5所示.

圖1 單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置結(jié)構(gòu)正視圖

圖2 單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置左視圖

圖3 擺線指針的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 角度定位板示意圖

圖5 擺線角度缺口示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果

3.1 儀器調(diào)節(jié)

使用單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置，首先把擺線指針向擺線方向伸到極限位置，調(diào)節(jié)底座下的2個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，讓擺線剛好從擺線指針的針尖處垂下，擺線平行于角度尺的零度的鉛垂延長線，這就調(diào)好了擺線的平衡位置.然后將角度定位板移動(dòng)到選定的角度刻線處固定，牽引擺球使擺線剛好經(jīng)過擺線角度缺口的尖角處放手，擺球的擺動(dòng)角度和運(yùn)動(dòng)軌跡即確定.這樣，調(diào)節(jié)單擺的平衡位置和擺動(dòng)角度，確定擺球運(yùn)動(dòng)軌跡都變得快捷而準(zhǔn)確.

3.2 測(cè)量結(jié)果

使用安裝了單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置的單擺儀，對(duì)不同擺線長度[2]和角度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，此外擺角[3－5]對(duì)數(shù)據(jù)也會(huì)有一定影響.其結(jié)果見表1和表2.

表1 單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從表2中可以看到，使用單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置后，測(cè)量的重力加速度和成都地區(qū)的公認(rèn)值比較，其相對(duì)偏差不超過1.1%.

4 結(jié)束語

單擺擺球運(yùn)動(dòng)軌跡控制裝置是對(duì)現(xiàn)有單擺實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和完善，用擺線指針可使擺線平衡位置快速準(zhǔn)確定位在過角度尺零刻度線的鉛直平面內(nèi)，減少實(shí)驗(yàn)初始時(shí)的調(diào)試時(shí)間，角度定位板可快速準(zhǔn)確定位擺動(dòng)角度，避免了因?yàn)槿藶橛^察角度盤帶來的誤差，角度定位板上設(shè)置的擺線缺口，保證了擺球的運(yùn)動(dòng)軌跡在平行于角度尺的鉛垂面內(nèi).綜合實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：此裝置完善了單擺實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)操作方法，減少了實(shí)驗(yàn)儀器調(diào)試時(shí)間，降低了儀器誤差，提高了測(cè)量精度.

[1] 王植恒，何原，朱俊.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社：2008：421－422.

[2] 李成龍，李勇.微幅擺重力加速度儀的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（4）：37－38.

[3] 易德文，盛忠志.利用單擺測(cè)重力加速度時(shí)的最大擺角的再討論[J].物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（7）：44－48.

[4] 邵長泰.物理[M].北京：高等教育出版社，1996.

[5] 杜方炳，楊紅梅，夏湘芳.重力加速度測(cè)量儀的設(shè)計(jì)與制作[J].物理實(shí)驗(yàn)，2007，27（11）：26－27.