吳 波,朱瑜,左安友
(湖北民族學(xué)院,湖北 恩施 445000)
用三線擺測(cè)量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種比較常見(jiàn)的方法[1-6],目前本校采用復(fù)旦大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心研制的FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀。該儀器的優(yōu)點(diǎn)是安裝了計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)毫秒儀,它的準(zhǔn)確度為0.001 s,取代了秒表測(cè)圓盤(pán)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,比用秒表手工測(cè)量準(zhǔn)確,而且速度快,可以大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)所花的時(shí)間。但該儀器設(shè)計(jì)上的缺陷是沒(méi)有安裝角度控制裝置,導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)時(shí)較難準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小,影響實(shí)驗(yàn)的精度。據(jù)觀察,學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)一般轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)大于5°,這樣就會(huì)大大的增加實(shí)驗(yàn)誤差。為了使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加精確,為該儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行的角度控制裝置是十分必要的。
中南林學(xué)院的曹建湘同志曾為三線擺設(shè)計(jì)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置[7],此設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置安裝在上圓盤(pán),這樣可較好控制轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。衡水師專物理系盧學(xué)偉、蘇元敏也曾為三線擺設(shè)計(jì)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置[8],他們自制量角器安裝在立桿上,當(dāng)三線擺擺動(dòng)起來(lái)后,以它的一根懸線為參考,看到擺扭轉(zhuǎn)角符合要求后,即開(kāi)始測(cè)量周期。
文章中的FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀設(shè)計(jì)不同于以上兩種方案的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置,為本校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供方便。
(1)在 FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀的支架下端安裝一個(gè)F形固定的指針。
(2)在下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的圓周邊上安裝一個(gè)圓周角度刻度條。
(3)調(diào)整F形指針與刻度條刻度線相互平行,轉(zhuǎn)動(dòng)下圓盤(pán)時(shí),可觀察到指針經(jīng)過(guò)刻度的角度數(shù)值,因此可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°。
(1)在 FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀的底座上安裝一個(gè)圓環(huán)狀的角度刻度盤(pán),高度與下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)一致,其內(nèi)半徑比下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)半徑約大2 c m,這樣是為了使此圓環(huán)能剛好套在下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)外,并且不影響下圓盤(pán)的扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)。
(2)在下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的上表面固定一顆大概2 c m長(zhǎng)的指針,其質(zhì)量相對(duì)整個(gè)下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)的質(zhì)量來(lái)講可以忽略不計(jì)。
(3)調(diào)整下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)上的指針和安裝在底座上的圓環(huán),使指針與圓環(huán)上的刻度線相互平行,轉(zhuǎn)動(dòng)下圓盤(pán)時(shí),可觀察到指針經(jīng)過(guò)刻度的角度數(shù)值,因此可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于5°。
以上兩種FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置不僅能夠?qū)⑾聢A盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度精確控制在5°范圍內(nèi),而且這兩種轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置的制作方法比較簡(jiǎn)單,其所需的材料也比較容易得到。把自制的FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置用于實(shí)驗(yàn)中,避免扭轉(zhuǎn)時(shí)控制角度的盲目性,減少了實(shí)驗(yàn)誤差,收到十分理想的效果。
與中南林學(xué)院的曹建湘同志設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置相比較,文章設(shè)計(jì)的裝置是安裝在下圓盤(pán)的。當(dāng)圓盤(pán)扭轉(zhuǎn)時(shí),下圓盤(pán)擺動(dòng)的幅度要比上圓盤(pán)扭擺的幅度大得多,即使是扭擺的角度相當(dāng)小時(shí),下圓盤(pán)的擺動(dòng)幅度也是能分辨的,由于實(shí)驗(yàn)條件之一是下懸盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度要小于5°,所以文章設(shè)計(jì)的裝置更容易控制下轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)擺角,從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精確。
就文章中的2種設(shè)計(jì)方案比較,第一種裝置在制作方面要比第二種裝置制作簡(jiǎn)單一些,但兩者在實(shí)驗(yàn)中所起到的效果是一樣的,差別僅僅在于制作上的難度不同而已。所以教學(xué)中可優(yōu)先選擇第一種設(shè)計(jì)方案。
2種設(shè)計(jì)裝置如果能大規(guī)模的生產(chǎn),其中還有一些地方需要改進(jìn)。在設(shè)計(jì)方案一中的F形指針,加工時(shí)可將底座設(shè)計(jì)成高度可自由調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)型底座,與FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀中的激光接收器的底座相似,這樣,無(wú)論擺線的長(zhǎng)短,指針都可以調(diào)節(jié)到剛好與刻度條對(duì)準(zhǔn)的高度。設(shè)計(jì)方案二中的圓環(huán)底座在加工時(shí)也需要將底座設(shè)計(jì)為高度可自由調(diào)節(jié)的底座,這樣才能保證圓環(huán)的高度始終與下圓盤(pán)的高度一致。
以上關(guān)于FD-I M-II新型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀的轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制裝置的設(shè)計(jì)方案是不成熟的,是極其粗糙的,望各位讀者予以批評(píng)指正。
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[3]王麗南,陳殿偉.利用三線擺驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平行軸定理[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2004,17(4):43-45.
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[8]盧學(xué)偉,蘇元敏.三線擺測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理通報(bào),1997(4):31-32.