三线摆测量物体转动惯量实验方法的改进-.doc

收稿日期:20140517;修回日期:20140620作者简介:张国玺(1966-),女,河南郑州人,副教授,硕士,研究方向:,丁俊2(,河南郑州450000;,河南郑州451191)摘要:首先阐述了三线摆实验的研究意义与现状、原理与内容,接着在分析影响该实验精度因素的基础上,提出了周期测量、摆角控制和固定转轴装置的改进,其次在对三线摆实验进行误差分析中得出减小误差的几种优化方案,最后分别比较实验改进前后的精确度和实验效率,得出实验改进后实验精确度提高了18倍之多,:三线摆;转动惯量;误差分析;光控中图分类号:O4-34 文献标志码:A 文章编号:16719476(2014)05005705 转动惯量是理论力学中的一个基本的物理量,它是刚体转动时惯性的量度,其量值取决于物体的形状、、,对于外形复杂和质量分布不均匀的物体就只能通过实验的方法来精确地测定其转动惯量了,,如三摆线法、、操作简便易行、,,三线摆法也有一些因传统的实验装置和依靠人类手工操作而引起实验误差的因素,笔者在分析引起该实验误差因素的基础上,,2001年,董英伟[1]导出摆角与转动惯量测量表达式的关系,探讨了摆角、摆动次数的选择和空气阻尼对测量精度的影响;2004年,盛忠志等[2]分析了刚体转动惯量测量公式的推导及所用的近似方法,以及各种近似对实验测量结果的影响;2006年,药树栋[3]在推导三线摆测量刚体转动惯量公式的过程中,得出转动惯量的误差主要来源于摆动的最大角位移过大以及操作中测量周数、晃动和长度测量失误;2012年,葛宇宏和葛志利[4]指出三线摆法是测量转动惯量的常用方法;1994年,单金德和李志源[5]指出用数字毫秒计和光电管取代手工操作,使改进后的三线摆实验仪提高了测量精度;1996年,王淑贤[6]介绍了三线摆测物体转动惯量实验中用光控数字毫秒计测量周期的方法,提高了测量精度;2003年,李建设和柳闻鹃[7]指出在三线摆测量转动惯量的实验中, 实验装置和步骤1畅1 实验装置的改进实验设备为JL24型三线摆、MUJⅡ型电脑通用计数器(2个)、JGQ250HeNe激光器、气垫导轨光电门(2套)、GK1光电门试架(3个).笔者就在王淑贤提出的用光控数字毫秒计测量周期方法的基础上,对其进行改进,:1)取一块镜片,裁取长度为60mm,宽度为10cm(宽度要大于所待测环的高度)的平面镜3片;2)将3片平面镜,按图1所示对接在一起(镜面朝外),形成一个三角形镜面体;3)将一组同心圆用A4纸打印出来,粘到三线摆的下盘上,使同心圆的圆心与下盘圆心重合;4)将三角形镜面体放在三线摆的下盘上,使三角镜面体的三个镜面均与下盘上其中一个圆相切;5)将光电门的光线发射装置和光线接收装置分开,利用反射定理调解光线发射装置和光线接收装置的位置,使光线发射装置发射的光线可以被光线接收装置接收到(注意光线发射装置和光线接收装置要保持相平).图1 三角形镜面体图示这样就用光控的方法解决了三线摆实验中关于周期测量要与摆的转动周期相同步的问题,并且用光电计时器计数来代替人工手动用计时器计数,,下盘的转角要求不能超过5°.而5°恰好就是一个圆周(也就是360°)的172,,张显余和常效奇指出激光射在随三线摆下盘转动的镜面上,由反射光点摆动控制摆动角度,克服了下盘转动的角度不易确定的弊病,使实验精度有所提高[8];笔者在他们的基础上设计了一个相似的角度控制装置,并提出了相应的操作方法,可将下盘旋转时的角度精确地控制在5°:图2 角度控制装置示意图 1)如图2所示,在距三线摆下盘上的一面平面镜距离为1m处放置一块长45cm、宽20cm的硬纸板,用铁架台固定住;2)硬纸板的板面要与镜面平行