王碧鴻 張皓晶 張 雄 徐云冰 董 強(qiáng)

(1. 云南師范大學(xué),云南 昆明 650500; 2. 樂山外國語學(xué)校,四川 樂山 614000)

旋轉(zhuǎn)液體測量重力加速度

王碧鴻1張皓晶1張 雄1徐云冰1董 強(qiáng)2

(1. 云南師范大學(xué),云南 昆明 650500; 2. 樂山外國語學(xué)校,四川 樂山 614000)

重力加速度是中學(xué)物理中重要的物理量,是高考考查的重點(diǎn)內(nèi)容．重力加速度的測量更是理工科大學(xué)生的必修物理實驗．常用的方法為單擺法和自由落體運(yùn)動法等.本文介紹一種運(yùn)用旋轉(zhuǎn)的液體測量重力加速度的簡易新方法．該方法利用已有的實驗器材操作簡單,實驗現(xiàn)象明顯,教學(xué)效果較好．易于在中學(xué)物理創(chuàng)新性拓展實驗中推廣使用．

旋轉(zhuǎn)液體;重力加速度;演示實驗;教學(xué)

旋轉(zhuǎn)液體實驗是一個既古老又現(xiàn)代的實驗.[1]在牛頓力學(xué)中就有旋轉(zhuǎn)液體現(xiàn)象的討論,直到今天,旋轉(zhuǎn)液體的研究依然廣受關(guān)注.旋轉(zhuǎn)液體現(xiàn)象以其直觀性、生動性,能激發(fā)學(xué)生對實驗的興趣.[2]但由于受到旋轉(zhuǎn)液體實驗儀器限制,至今國內(nèi)只有為數(shù)不多的學(xué)校開設(shè)這個實驗.國內(nèi)研究者主要利用激光筆向旋轉(zhuǎn)液面投射激光,激光匯聚點(diǎn)來測量重力加速度[2]或用于測量液體折射率.[3]國外研究者主要運(yùn)用旋轉(zhuǎn)液面形成的液面最低點(diǎn)與激光焦點(diǎn)的距離來測量重力加速度.[4]旋轉(zhuǎn)液體方法與傳統(tǒng)的重力加速度的測量方法(單擺法[5]和自由落體運(yùn)動等[6])相比較,實驗裝置復(fù)雜,精確度要求高,僅在高校的綜合性物理實驗或?qū)I(yè)實驗中開設(shè).本文將旋轉(zhuǎn)液體實驗作為中學(xué)的創(chuàng)新性拓展實驗,增加學(xué)生的創(chuàng)新性和研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容.[7]筆者將重力加速度的測量方法放在轉(zhuǎn)動慣量儀上操作,利用已有的實驗器材,[5]粗略測量了重力加速度值.教學(xué)實踐表明其操作簡單,教學(xué)效果較好,易于在中學(xué)物理創(chuàng)新性拓展實驗中推廣.

1 旋轉(zhuǎn)液體測量重力加速度實驗原理和方法

1.1 實驗原理[8]

p為選取的任意一個液體微元.該液體的位置圖和受力圖,[8]如圖1、2所示.

圖1 液體位置圖

圖2 液體受力圖

Fi為沿徑向向外的慣性離心力；mg為液體所受重力；FN為周圍液體對這個液體微元的合力,方向垂直于液體表面；ω為燒杯(圓柱形容器)的角速度大小；R為燒杯的半徑；Δh為旋轉(zhuǎn)液面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差；O(0,y0)為中心最低點(diǎn)的坐標(biāo).

FNcosθ-mg=0.

(1)

FNsinθ-Fi=0.

(2)

Fi=mω2x.

(3)

聯(lián)立(1)～(3)式可得

(4)

方程兩邊同時積分，可得

(5)

若p點(diǎn)在液面與燒杯相交處,即坐標(biāo)(R,y0+Δh),則有

(6)

(7)

所以

(8)

1.2 實驗裝置和方法

圖3 轉(zhuǎn)動慣量儀

轉(zhuǎn)動慣量儀[5][帶有計時裝置(轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動半圈讀數(shù)1次)]、定滑輪、燒杯(裝有濃度為95%的酒精 220 mL)、米尺(2把)、透明膠布、塑料泡沫膠、礦泉水瓶在實驗中做砝碼用(含有水500 mL)、細(xì)線若干、游標(biāo)卡尺、自制簡易鐵架臺、鐵夾(2個).實驗儀器如圖3所示.

旋轉(zhuǎn)液體測量重力加速度實驗,主要運(yùn)用液體旋轉(zhuǎn)在表面形成拋球面,而液體拋球面的液面差Δh與重力加速度、旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)[見(8)式].直接測量液面高度差Δh與對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度ω,從而達(dá)到間接測量重力加速度的目的.

圖4 米尺位置擺放圖

實驗方法:在轉(zhuǎn)動慣量儀的轉(zhuǎn)臺中間,貼上塑料膠布,在燒杯(裝有酒精220 mL)底部先貼上塑料膠布,再貼上塑料泡沫膠,將燒杯與轉(zhuǎn)臺粘合以防從旋轉(zhuǎn)時滑落.在自制鐵架臺上系上兩把米尺,如圖4所示.用一根細(xì)線一端纏繞在轉(zhuǎn)動慣量儀下方的轉(zhuǎn)軸上,另一端系在礦泉水瓶中部,將細(xì)線繞過固定在桌面上的定滑輪,穩(wěn)定裝置,調(diào)節(jié)好計時裝置后釋放.實驗結(jié)束后,倒去酒精,運(yùn)用游標(biāo)卡尺測量燒杯直徑大小.

數(shù)據(jù)記錄:記錄計時裝置的讀數(shù),液體拋球面的液面高度差Δh,燒杯直徑D.

2 實驗數(shù)據(jù)與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

直接測量出的液體拋球面的液面高度差Δh和燒杯直徑D讀數(shù),如表1所示.

表1 液體拋球面的液面高度差Δh讀數(shù)與燒杯直徑讀數(shù)

表2 計時裝置讀數(shù)

2.2 誤差分析

直接測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類分量公式[9]為

(9)

樣本平均值公式[9]為

(10)

間接測量不確定度計算公式[9]為

（4）完善科技人才榮譽(yù)制度。擴(kuò)大創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獎勵范圍，設(shè)立市級科技創(chuàng)新爭先獎，表彰在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、科技服務(wù)等方面有突出貢獻(xiàn)的科技人才和研發(fā)團(tuán)隊，進(jìn)行重點(diǎn)宣傳，營造全社會尊重人才、崇尚科學(xué)、鼓勵創(chuàng)新的良好氛圍。

(11)

測量公式為

(12)

將(12)式代入(11)式,可以得間接測量不確定度的計算公式為

(14)

測量結(jié)果的表述[9]為

(15)

實驗的相對誤差的公式[5]為

(16)將實驗數(shù)據(jù)代入以上公式可得

實驗測量的重力加速度大小為

g=9.980±0.005(m/s2).

昆明地區(qū)的重力加速度標(biāo)準(zhǔn)值為g=9.783 m/s2.實驗的相對誤差為ε=1.951%.

2.3 實驗結(jié)論

從數(shù)據(jù)分析的角度來看,該實驗在誤差允許的范圍內(nèi)是合理的.但將實驗數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對比,筆者發(fā)現(xiàn)實驗還是存在一定的誤差.誤差產(chǎn)生原因可能有以下幾點(diǎn):旋轉(zhuǎn)液面的不穩(wěn)定,導(dǎo)致液面讀數(shù)存在誤差； 從公式中可以看出,時間計算處于平方項上,很小的變化都能導(dǎo)致實驗結(jié)果有很大的誤差； 實驗中酒精易揮發(fā),導(dǎo)致光電門讀數(shù)減小,從而導(dǎo)致實驗結(jié)果偏大.

3 小結(jié)

利用旋轉(zhuǎn)液體測量重力加速度的方法,不僅能增強(qiáng)學(xué)生對實驗的興趣,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,還能在一定程度上提高學(xué)生處理數(shù)據(jù),分析誤差的能力.雖然,旋轉(zhuǎn)液體實驗也有其自身的缺陷.如,與傳統(tǒng)實驗相比,旋轉(zhuǎn)液體實驗難度較大;實驗裝置復(fù)雜,不易獲取;旋轉(zhuǎn)液體實驗在實際操作過程中,對學(xué)生自身能力要求較高,通常沒有教師引導(dǎo),學(xué)生無法單獨(dú)完成.但是,由于使用轉(zhuǎn)動慣量儀和與之配套的計時器,不需增加其他新設(shè)備,作為創(chuàng)新性和設(shè)計性實驗在中學(xué)物理中演示該實驗,教學(xué)實踐表明效果較佳.

1 晏湖根,袁野,陸申龍.一個集力學(xué)和光學(xué)實驗于一體的綜合物理實驗[J].大學(xué)物理實驗,2003,16(3):1-5.

2 王愛芳,劉芬,張藝等.RL-1型旋轉(zhuǎn)液體特性研究實驗的改進(jìn)方法[J].大學(xué)物理實驗,2013,26(3):29-31.

3 唐軍杰,劉傳斌,游軍昱等.利用旋轉(zhuǎn)液體特性測量液體折射率方法改進(jìn)[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(3):60-61,77.

4 A Sundstrom， T Adawi.Measuring g using a rotating liquid mirror:enhancing laboratory learning[J].Phys.Educ.,51:053004.

5 楊述武,趙立竹,沈國土.普通物理實驗(力學(xué)、熱學(xué)部分)[M].北京:高等教育出版社,2007:30-33,61-63.

6 V Oliveira.Measuring g with a classroom pendulum using changes in the pendulum string length[J].Phys.Educ.51:063007.

7 李家利.關(guān)于重力加速度的研究性學(xué)習(xí)探討[J].物理教師,2006,27(3):14-16.

8 陳紅雨.旋轉(zhuǎn)液體綜合實驗設(shè)計[J].大學(xué)物理,2007,26(1):30-33.

9 張雄,王黎智,馬力等.物理實驗設(shè)計與研究[M].北京:科學(xué)出版社,2001:22-40.

本文獲國家教育部高等學(xué)校本科“物理學(xué)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”項目資助(No.ZG489).

2017-03-05)