三线摆转动角度控制装置的设计

吴 波，朱瑜，左安友

（湖北民族学院，湖北 恩施 445000）

用三线摆测量物体的转动惯量是一种比较常见的方法［1－6］，目前本校采用复旦大学物理实验教学中心研制的FD－I M－II新型转动惯量测定仪。该仪器的优点是安装了计时计数毫秒仪，它的准确度为0.001 s，取代了秒表测圆盘绕中心轴的转动惯量，比用秒表手工测量准确，而且速度快，可以大大节省实验时所花的时间。但该仪器设计上的缺陷是没有安装角度控制装置，导致在实验时较难准确控制转盘转动角度的大小，影响实验的精度。据观察，学生实验时一般转动都会大于5°，这样就会大大的增加实验误差。为了使实验的结果更加精确，为该仪器设计简单易行的角度控制装置是十分必要的。

中南林学院的曹建湘同志曾为三线摆设计过转动角度控制装置［7］，此设计中转动角度控制装置安装在上圆盘，这样可较好控制转动圆盘的转动角度。衡水师专物理系卢学伟、苏元敏也曾为三线摆设计过转动角度控制装置［8］，他们自制量角器安装在立杆上，当三线摆摆动起来后，以它的一根悬线为参考，看到摆扭转角符合要求后，即开始测量周期。

文章中的FD－I M－II新型转动惯量测定仪设计不同于以上两种方案的转动角度控制装置，为本校的实验教学提供方便。

1 设计方案

1.1 设计方案一

（1）在 FD－I M－II新型转动惯量测定仪的支架下端安装一个F形固定的指针。

（2）在下转动圆盘的圆周边上安装一个圆周角度刻度条。

（3）调整F形指针与刻度条刻度线相互平行，转动下圆盘时，可观察到指针经过刻度的角度数值，因此可精确控制转动角度小于5°。

1.2 设计方案二

（1）在 FD－I M－II新型转动惯量测定仪的底座上安装一个圆环状的角度刻度盘，高度与下转动圆盘一致，其内半径比下转动圆盘半径约大2 c m，这样是为了使此圆环能刚好套在下转动圆盘外，并且不影响下圆盘的扭转摆动。

（2）在下转动圆盘的上表面固定一颗大概2 c m长的指针，其质量相对整个下转动圆盘的质量来讲可以忽略不计。

（3）调整下转动圆盘上的指针和安装在底座上的圆环，使指针与圆环上的刻度线相互平行，转动下圆盘时，可观察到指针经过刻度的角度数值，因此可精确控制转动角度小于5°。

2 结 论

以上两种FD－I M－II新型转动惯量测定仪的转动角度控制装置不仅能够将下圆盘的转动角度精确控制在5°范围内，而且这两种转动角度控制装置的制作方法比较简单，其所需的材料也比较容易得到。把自制的FD－I M－II新型转动惯量测定仪的转动角度控制装置用于实验中，避免扭转时控制角度的盲目性，减少了实验误差，收到十分理想的效果。

与中南林学院的曹建湘同志设计的转动角度控制装置相比较，文章设计的装置是安装在下圆盘的。当圆盘扭转时，下圆盘摆动的幅度要比上圆盘扭摆的幅度大得多，即使是扭摆的角度相当小时，下圆盘的摆动幅度也是能分辨的，由于实验条件之一是下悬盘的转动角度要小于5°，所以文章设计的装置更容易控制下转动圆盘摆角，从而使实验结果更加精确。

就文章中的2种设计方案比较，第一种装置在制作方面要比第二种装置制作简单一些，但两者在实验中所起到的效果是一样的，差别仅仅在于制作上的难度不同而已。所以教学中可优先选择第一种设计方案。

2种设计装置如果能大规模的生产，其中还有一些地方需要改进。在设计方案一中的F形指针，加工时可将底座设计成高度可自由调节的调节型底座，与FD－I M－II新型转动惯量测定仪中的激光接收器的底座相似，这样，无论摆线的长短，指针都可以调节到刚好与刻度条对准的高度。设计方案二中的圆环底座在加工时也需要将底座设计为高度可自由调节的底座，这样才能保证圆环的高度始终与下圆盘的高度一致。

以上关于FD－I M－II新型转动惯量测定仪的转动角度控制装置的设计方案是不成熟的，是极其粗糙的，望各位读者予以批评指正。

［1］毛爱华，刘官元，董大明.放置不同物体三线摆转动周期变化规律研究［J］.大学物理，2009，28（4）：18－19.

［2］盛忠志，易德文，杨恶恶.三线摆法测刚体的转动惯量所用近似方法对测量结果的影响［J］.大学物理，2004，23（2）：44－46.

［3］王丽南，陈殿伟.利用三线摆验证转动惯量的平行轴定理［J］.大学物理实验，2004，17（4）：43－45.

［4］赵学荟，侯文.考虑摆线拉伸效应的三线摆测量转动惯量方法的研究［J］.宇航计测技术，2006，26（6）：26－29.

［5］夏雪珍.“比较测量法”在三线摆实验中的应用［J］.大学物理实验，2011（5）：47－50.

［6］马亚林，陈建新.扭摆法测量物体转功惯量的不确定度分析［J］.大学物理实验，2011（1）：93－96.

［7］曹建湘.三线摆实验仪角度控制装置的设计与制作［J］.大学物理实验，2005，18（1）：44－45.

［8］卢学伟，苏元敏.三线摆测物体转动惯量实验的改进［J］.物理通报，1997（4）：31－32.