單擺擺球運動軌跡控制裝置

張虹雪，陳雪芹，樊 婷，朱傳清，鄒宜君，李春秀，謝程鋒，王海燕，汪仕元，朱 俊，李 娟，王維果

（四川大學a.高分子學院；b.材料工程學院；c.電氣信息學院；d.物理學院，四川成都610064）

1 引 言

在單擺測定重力加速度的實驗中，由于擺線離角度尺較遠，操作者依靠目測調節擺線的平衡位置，既費時間又不準確，由于擺球的初始運動由操作者手動控制而受許多不確定因素影響，所以導致擺球的擺動軌跡常常是橢圓而不在一個平面內.有時即使是在鉛垂平面內運動也難以保證該平面和角度尺平行，擺動夾角也就不準確，以致降低重力加速度的測量精度[1].

為了解決以上問題，筆者設計了單擺擺球運動軌跡控制裝置，可以快速準確地調節單擺的平衡位置、擺動角度，并控制擺球在平行于角度尺的鉛垂平面內運動，從而簡化了實驗操作，提高了測量精度.

2 單擺擺球運動軌跡控制裝置簡介

2.1 設計思想

單擺擺球運動軌跡控制裝置由擺線指針和擺線定位板組成.擺線指針安裝在單擺儀的立柱上，并過角度尺的零度鉛垂延長線，垂直于角度尺，可以前后滑動.限位螺母確定擺線指針的針尖和擺線懸掛點在調試時處于同一鉛垂線上，擺線定位板安裝在角度尺上.擺線角度缺口尖角處和懸掛點、擺線指針的針尖構成平行于角度尺的鉛垂平面，擺線定位板偏向立柱一側并和角度尺的角度刻線重合以確定擺動角度.開始實驗時，擺線指針的針尖向擺線伸出直到設定的極限位置，操作者通過底座螺釘的調節使擺線剛好從擺線指針的針尖處垂下，調好后將擺線指針退后以免影響擺線運動；調節擺線定位板到選定的角度刻線處固定，操作者牽引擺球使擺線剛好達到擺線定位板的擺線角度缺口處，松開手后擺球開始擺動.需要改變角度時，只需將擺線定位板移動到相應的角度刻度線位置即可.

2.2 單擺擺球運動軌跡控制裝置結構示意圖

單擺擺球運動軌跡控制裝置的結構如圖1－5所示.

圖1 單擺擺球運動軌跡控制裝置結構正視圖

圖2 單擺擺球運動軌跡控制裝置左視圖

圖3 擺線指針的結構示意圖

圖4 角度定位板示意圖

圖5 擺線角度缺口示意圖

3 實驗過程、結果

3.1 儀器調節

使用單擺擺球運動軌跡控制裝置，首先把擺線指針向擺線方向伸到極限位置，調節底座下的2個調節螺釘，讓擺線剛好從擺線指針的針尖處垂下，擺線平行于角度尺的零度的鉛垂延長線，這就調好了擺線的平衡位置.然后將角度定位板移動到選定的角度刻線處固定，牽引擺球使擺線剛好經過擺線角度缺口的尖角處放手，擺球的擺動角度和運動軌跡即確定.這樣，調節單擺的平衡位置和擺動角度，確定擺球運動軌跡都變得快捷而準確.

3.2 測量結果

使用安裝了單擺擺球運動軌跡控制裝置的單擺儀，對不同擺線長度[2]和角度進行了實際測量，此外擺角[3－5]對數據也會有一定影響.其結果見表1和表2.

表1 單擺測重力加速度實驗數據

表2 單擺測重力加速度實驗數據分析

從表2中可以看到，使用單擺擺球運動軌跡控制裝置后，測量的重力加速度和成都地區的公認值比較，其相對偏差不超過1.1%.

4 結束語

單擺擺球運動軌跡控制裝置是對現有單擺實驗儀結構的改進和完善，用擺線指針可使擺線平衡位置快速準確定位在過角度尺零刻度線的鉛直平面內，減少實驗初始時的調試時間，角度定位板可快速準確定位擺動角度，避免了因為人為觀察角度盤帶來的誤差，角度定位板上設置的擺線缺口，保證了擺球的運動軌跡在平行于角度尺的鉛垂面內.綜合實驗過程和實驗結果可知：此裝置完善了單擺實驗儀的結構，優化了實驗操作方法，減少了實驗儀器調試時間，降低了儀器誤差，提高了測量精度.

[1] 王植恒，何原，朱俊.大學物理實驗[M].北京：高等教育出版社：2008：421－422.

[2] 李成龍，李勇.微幅擺重力加速度儀的設計[J].物理實驗，2011，31（4）：37－38.

[3] 易德文，盛忠志.利用單擺測重力加速度時的最大擺角的再討論[J].物理實驗，2003，23（7）：44－48.

[4] 邵長泰.物理[M].北京：高等教育出版社，1996.

[5] 杜方炳，楊紅梅，夏湘芳.重力加速度測量儀的設計與制作[J].物理實驗，2007，27（11）：26－27.