轉動慣量實驗計時裝置的改進

李成龍,張 潔,劉 振

(安徽理工大學理學院,安徽淮南230001)

1 傳統實驗簡介

在物理實驗中,時間是最基本的待測物理量.而測量時間的諸多方法中,三線懸盤測轉動慣量的實驗中周期的測量最為典型.

我校該實驗目前最具代表性的測量方法有2種.第一種是以FD-M S-Ⅱ型三線擺為代表,如圖1所示.這種計時裝置將激光器發射器與光敏二極管組合,其特點是發射裝置與接收裝置分開,利用3根懸線中的1根來周期遮光從而獲得計時脈沖.這套裝置最大缺點是分立式結構使激光束的瞄準調整很困難,有時很難讓激光器發出的激光照射到接收管.其次懸線較細,有時不能完全遮光,有時2根同時遮光,導致經常漏記周期,使測量的周期誤差較大.

圖1 FD-MS-Ⅱ型三線擺

第二種是以DH4601型轉動慣量測試儀為代表,如圖2所示.雖然這種計時裝置將紅外線發射與接收進行一體化封裝,克服了 FD-M S-Ⅱ型瞄準調整困難這一缺點,但其遮光裝置為懸盤上的附加金屬桿,附加金屬桿易改變懸盤的形狀與質量分布,進而影響懸盤轉動慣量的理論計算精度,而且由于擋桿過短以至常漏遮光束,使周期測量有較大誤差.此外實踐操作中還常常出現該裝置碰撞紅外線發射與接收裝置,致使三線擺停擺,嚴重時還可能撞壞U型的紅外收發裝置.

圖2 DH4601型轉動慣量測試儀

2 新裝置的設計與應用

光反射式激光計時器的設計有助于克服上述缺點,其裝置如圖3所示.

圖3 光反射式激光計時器裝置圖

該裝置將半導體激光發射器與光敏二極管的接收裝置合在一起,做成一體化的發射接收盒,激光照射到懸盤側面被反射回來,經光敏管接收送計時器計時.應用到DH4601型轉動慣量測試儀上,因懸盤是不銹鋼材質可直接反射激光,無需改造效果很好,而 FD-M S-Ⅱ型三線擺,其鋁合金懸盤反光很弱,側面則需用細砂紙拋光,或貼上反光金屬箔,側面的反光部位取1 cm2即可,其他側面部位則可涂上黑漆.

這種反射式發射接收裝置,實驗時只需調整激光器與懸盤水平等高,然后轉動懸盤,觀察懸盤側面反射的激光光斑的運動軌跡,是否能掃過接收的光敏管.實際操作中基本無需太多調整,反射的光斑軌跡就能掃過光敏管,計時器顯示有同步的計數脈沖.

利用該反射式激光計時裝置測量三線擺擺動周期,進而測出擺盤的轉動慣量[1],與原實驗儀器的實驗數據對比,如表1和表2所示.

通過計算得轉動慣量值為2.028×10-3kg·m2.從實驗數據分析來看,雖然測量結果的誤差都在實驗許可范圍之內,但新的計時裝置易于調整,計時準確,數值的離散程度較好.

表1 周期的測量對比(25個周期總時間)

表2 計算結果

3 結 論

1)采用激光發射與接收一體化設計便于調整,節省實驗時間,使得大部分同學能有足夠的時間去做驗證平行軸定理的實驗,充實實驗內容.

2)該裝置不改變懸盤的形狀與質量分布,也不影響擺盤的擺動周期與幅度,使得實驗的理論值與測量值更吻合.

3)弧形的反射面使反射光斑增大,不易漏測周期,測量更精確.

[1] 丁慎訓,張連芳.物理實驗教程[M].2版.北京:清華大學出版社,2002.

[2] 蘇啟錄.單擺運動的實時測量[J].物理實驗,2007,27(9):29-30.

[3] 王麗娟,張平.用三線擺研究垂直軸定理[J].物理實驗,2008,28(2):38-41.