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1、图1复摆示意图图1是复摆示意图,设一质量为m的刚体,其重心G到转轴O的距离为h,绕O轴的转动惯量为I,当摆幅很小时,刚体绕O轴摆动的周期T为:(1) 式中g为当地的重力加速度.设复摆绕通过重心G的轴的转动惯量为IG,当G轴与O轴平行时,有I=IG+mh2(2)代入式(1)得:(3) 对比单摆周期的公式,可得(4) 称为复摆的等效摆长。因此只要测出周期和等效摆长便可求得重力加速度。 上图是凯特摆摆杆的示意图。对凯特摆而言,两刀口间的距离就是该摆的等效摆长l。在实验中当两刀口位置确定后,通过调节A、B、C、D四摆锤的位置可使
2、正、倒悬挂时的摆动周期T1和T2基本相等。由公式(3)可得(5) (6) 其中T1和h1为摆绕O轴的摆动周期和O轴到重心G的距离。当T1≈T2时,h1+h2=l即为等效摆长。由式(5)和(6)消去IG,可得:(7)此式中,l、T1、T2都是可以精确测定的量,而h1则不易测准。由此可知,a项可以精确求得,而b项则不易精确求得。但当T1=T2以及
3、2h1-l
4、 的值较大时,b项的值相对a项是非常小的,这样b项的不精确对测量结果产生的影响就微乎其微了。 一. 用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度g.设计要求:(1
5、) 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.(2) 写出详细的推导过程,试验步骤.(3) 用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g<1%.可提供的器材及参数:游标卡尺,米尺,千分尺,电子秒表,支架,细线(尼龙线),钢球,摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制),天平(公用).假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s;米尺精度△米≈0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实
6、验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s.二. 对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.三. 自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小.四. 自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律. 图1:凯特摆测量重力加速度实验仪器包括凯特摆、光电探头和多用数字测试仪。图2:凯特摆凯特摆的两端共大小4个摆锤,调节摆锤的位置可以改变凯特摆的重心,两端相同的位置各有一个
7、固定刀口。实验之前需要先调节凯特摆的重心位置,重心调节完成的标志是:使用任何一个刀口时,凯特摆的摆动周期相同。 图3:凯特摆的大摆锤 图4:凯特摆的小摆锤 图5:固定刀口和V形刀承可将摆杆悬挂到支架上,使摆杆能在铅垂面内自由摆动。 图6:光电探测器(光电门)摆杆摆动时,摆针须经过光电探测器方可记录摆动周期。光电探测器的另一端接到多用数字测试仪,两次同向经过光电门的时间为摆动周期。 图7:多用数字测试仪多用数字测试仪可测速度、加速度、频率等。本实验中主要用来测周期,可记录一个或多个周期的时间。 1.正确调节仪器,测量
8、凯特摆的等效摆长l,并利用,粗略估算摆动周期T值,以作为调节T1:T2的参考。2.调节四个摆锤的位置,使T1与T2逐渐靠近,当
9、T1-T2
10、≦0.001S时,测量T1和T2的值。3.根据上述测量值计算重力加速度g及不确定度。1.凯特摆测中立加速度,在实验设计上有什么特点?避免了什么量的测量?降低了哪个量的测量精度?实验上如何来实现?2.结合误差计算,你认为影响凯特摆测g精度的主要因素是什么?将所得的实验结果与当地的重力加速度的公认值相比较,你能得出什么结论?若有偏差,试分析之。