王祥委+段娟娟+彭朝陽
摘 要:重力加速度是經(jīng)典力學中的一個重要參數(shù),對其進行精確測量對研究力學問題尤為重要。本文利用智能手機的加速度傳感器來測量復擺的振動周期,從而根據(jù)復擺振動理論求出重力加速度,結(jié)果表明得到的重力加速度較為準確。
關鍵詞:復擺;智能手機;加速度傳感器
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2017)7-0064-2
1 引 言
重力加速度是物體由于受到重力的作用而產(chǎn)生的加速度。它是一個重要的地球物理常數(shù),由物體所在地區(qū)的緯度、海拔等因素決定的,不同的地區(qū)重力加速度g 也不同。準確測定其數(shù)值在生產(chǎn)、科研上都有著重要意義。經(jīng)典力學實驗室測量重力加速度的方法有很多種,復擺測定重力加速度就是其中一種方法。但是,傳統(tǒng)的復擺測重力加速度實驗中,測量復擺周期時使用秒表就會出現(xiàn)偶然誤差和系統(tǒng)誤差,這將導致測量復擺周期不夠準確,進而使測量的重力加速度誤差也比較大。筆者將智能手機固定在復擺上跟隨復擺一起擺動,使用智能手機中的加速度傳感器進行重力加速度測量,減小了傳統(tǒng)復擺實驗測重力加速度的誤差,提高了重力加速度測量的精確性。
2 復擺測重力加速度實驗原理
一個圍繞定軸擺動的剛體就是復擺[1],當復擺的擺動振幅很小時,其振動周期T為
T=2π(1)
其中I為復擺對回轉(zhuǎn)軸O的轉(zhuǎn)動慣量,m為復擺的質(zhì)量,g為當?shù)刂亓铀俣?,h為擺的支點到擺質(zhì)心的距離。示意圖如圖1所示,利用平行軸定理,設復擺對通過質(zhì)心G平行O軸的轉(zhuǎn)動慣量為IG[2]。則
I=IG+mh2(2)
式中IG=mk2,復擺對G軸的回轉(zhuǎn)半徑為r,式(1)改寫為:T=2π (3)
式(3)改寫為
T2h=r2+h2(4)
令y=h2,x=T2h,式(4)為
y=x-r2(5)
只要測出n組(x,y)的值,用最小二乘法求出擬合直線y=ax+b,其中a=,b=-r2,
因此g=4π2a(6)
3 運用智能手機測重力加速度
3.1 加速度傳感器
加速度傳感器是智能手機中常見的一種傳感器。它能呈現(xiàn)出物體運動中x、y、z三個方向上加速度隨時間的變化圖像。在y方向上:當復擺擺動到最高點時其加速度為0,當在平衡位置時其加速度最大,其加速度隨時間的變化就是一個簡諧運動(如圖2)。利用加速度傳感器中y軸方向上的圖像就能呈現(xiàn)出復擺在擺動時加速度的變化,而x、z方向上無加速度的變化。3.2 實驗工具
帶有加速度傳感器和LabVIEW軟件的智能手機、雙面膠帶、復擺實驗儀器、計算機。
3.3 實驗步驟
(1)在復擺剛體上距兩端相同的位置用雙面膠固定相同的智能手機(如圖3)。
(2)將綁有智能手機的剛體掛在掛刃上,調(diào)節(jié)平衡螺母使剛體平衡(如圖4),讀出剛體上標尺的值,即為重心G的位置。
(3)打開智能手機加速度傳感器,并且使復擺開始擺動,智能手機上就出現(xiàn)完整的周期圖像,并用LabVIEW軟件采集、保存數(shù)據(jù)。重復測出在各支點的數(shù)據(jù)。
(4)運用數(shù)據(jù)采集儀采集出一個完整周期的時間T=T1-T2(T1為完整周期的開始時間,T2為完整周期的末尾時間)。
3.4 實驗數(shù)據(jù)及處理(如表1、表2、圖5所示)
周期T的標準不確定度:u(T)=0
g的標準不確定度為:
則重力加速度g=(9.820±0.0003) m/s2
昆明地區(qū)重力加速度參考值為g0=9.789 m/s2,則測量的相對誤差為:
3.5 實驗誤差分析
從測量結(jié)果來看,運用智能手機來測重力加速度是可行的。其誤差主要來源于用智能手機測周期時出現(xiàn)加速度傳感器顯示誤差及剛體在擺動過程中可能出現(xiàn)微轉(zhuǎn)動等。
參考文獻:
[1]楊述武,等.普通物理實驗1力學熱學部分[M].北京:高等教育出版社,2007:30-33.
[2]段益峰,等.擺桿和擺桿座質(zhì)量對復擺實驗的影響[J].大學物理實驗,2015,28(1):41-43.
[3]曲光偉,等.復擺運動狀態(tài)的研究[J].物理與工程,2009,19(5):21-23.
(欄目編輯 鄧 磊)