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)
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.
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.
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
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.
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%.
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.
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