单摆摆球运动轨迹控制装置

张虹雪，陈雪芹，樊 婷，朱传清，邹宜君，李春秀，谢程锋，王海燕，汪仕元，朱 俊，李 娟，王维果

（四川大学a.高分子学院；b.材料工程学院；c.电气信息学院；d.物理学院，四川成都610064）

1 引 言

在单摆测定重力加速度的实验中，由于摆线离角度尺较远，操作者依靠目测调节摆线的平衡位置，既费时间又不准确，由于摆球的初始运动由操作者手动控制而受许多不确定因素影响，所以导致摆球的摆动轨迹常常是椭圆而不在一个平面内.有时即使是在铅垂平面内运动也难以保证该平面和角度尺平行，摆动夹角也就不准确，以致降低重力加速度的测量精度[1].

为了解决以上问题，笔者设计了单摆摆球运动轨迹控制装置，可以快速准确地调节单摆的平衡位置、摆动角度，并控制摆球在平行于角度尺的铅垂平面内运动，从而简化了实验操作，提高了测量精度.

2 单摆摆球运动轨迹控制装置简介

2.1 设计思想

单摆摆球运动轨迹控制装置由摆线指针和摆线定位板组成.摆线指针安装在单摆仪的立柱上，并过角度尺的零度铅垂延长线，垂直于角度尺，可以前后滑动.限位螺母确定摆线指针的针尖和摆线悬挂点在调试时处于同一铅垂线上，摆线定位板安装在角度尺上.摆线角度缺口尖角处和悬挂点、摆线指针的针尖构成平行于角度尺的铅垂平面，摆线定位板偏向立柱一侧并和角度尺的角度刻线重合以确定摆动角度.开始实验时，摆线指针的针尖向摆线伸出直到设定的极限位置，操作者通过底座螺钉的调节使摆线刚好从摆线指针的针尖处垂下，调好后将摆线指针退后以免影响摆线运动；调节摆线定位板到选定的角度刻线处固定，操作者牵引摆球使摆线刚好达到摆线定位板的摆线角度缺口处，松开手后摆球开始摆动.需要改变角度时，只需将摆线定位板移动到相应的角度刻度线位置即可.

2.2 单摆摆球运动轨迹控制装置结构示意图

单摆摆球运动轨迹控制装置的结构如图1－5所示.

图1 单摆摆球运动轨迹控制装置结构正视图

图2 单摆摆球运动轨迹控制装置左视图

图3 摆线指针的结构示意图

图4 角度定位板示意图

图5 摆线角度缺口示意图

3 实验过程、结果

3.1 仪器调节

使用单摆摆球运动轨迹控制装置，首先把摆线指针向摆线方向伸到极限位置，调节底座下的2个调节螺钉，让摆线刚好从摆线指针的针尖处垂下，摆线平行于角度尺的零度的铅垂延长线，这就调好了摆线的平衡位置.然后将角度定位板移动到选定的角度刻线处固定，牵引摆球使摆线刚好经过摆线角度缺口的尖角处放手，摆球的摆动角度和运动轨迹即确定.这样，调节单摆的平衡位置和摆动角度，确定摆球运动轨迹都变得快捷而准确.

3.2 测量结果

使用安装了单摆摆球运动轨迹控制装置的单摆仪，对不同摆线长度[2]和角度进行了实际测量，此外摆角[3－5]对数据也会有一定影响.其结果见表1和表2.

表1 单摆测重力加速度实验数据

表2 单摆测重力加速度实验数据分析

从表2中可以看到，使用单摆摆球运动轨迹控制装置后，测量的重力加速度和成都地区的公认值比较，其相对偏差不超过1.1%.

4 结束语

单摆摆球运动轨迹控制装置是对现有单摆实验仪结构的改进和完善，用摆线指针可使摆线平衡位置快速准确定位在过角度尺零刻度线的铅直平面内，减少实验初始时的调试时间，角度定位板可快速准确定位摆动角度，避免了因为人为观察角度盘带来的误差，角度定位板上设置的摆线缺口，保证了摆球的运动轨迹在平行于角度尺的铅垂面内.综合实验过程和实验结果可知：此装置完善了单摆实验仪的结构，优化了实验操作方法，减少了实验仪器调试时间，降低了仪器误差，提高了测量精度.

[1] 王植恒，何原，朱俊.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社：2008：421－422.

[2] 李成龙，李勇.微幅摆重力加速度仪的设计[J].物理实验，2011，31（4）：37－38.

[3] 易德文，盛忠志.利用单摆测重力加速度时的最大摆角的再讨论[J].物理实验，2003，23（7）：44－48.

[4] 邵长泰.物理[M].北京：高等教育出版社，1996.

[5] 杜方炳，杨红梅，夏湘芳.重力加速度测量仪的设计与制作[J].物理实验，2007，27（11）：26－27.