中瑞祥解析新型FD-DB-II單擺實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约坝猛?/div>

新型FD-DB-II單擺實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊约坝猛?/p>

單擺實(shí)驗(yàn)在大學(xué)基礎(chǔ)物理和中學(xué)物理教學(xué)中都是一個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，以往此實(shí)驗(yàn)都限于單擺在小角度內(nèi)做近似等周期擺動(dòng)的情況下，測(cè)量小球振動(dòng)周期，一般不涉及周期與擺角之間的關(guān)系。要研究此二者間關(guān)系就必須在不同擺角，甚至大擺角下進(jìn)行周期測(cè)量。傳統(tǒng)方法的周期測(cè)量用手控秒表計(jì)時(shí)，測(cè)量誤差較大。為了降低誤差，必須采用多周期測(cè)量后取平均值的方法，由于空氣阻尼的存在，擺角隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，因此無(wú)法精確測(cè)得大角下擺動(dòng)周期的準(zhǔn)確值。采用集成開關(guān)型霍耳傳感器和電子計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)之后，能夠在很短幾個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)得單擺在大角下的周期，這樣可以忽略空氣阻尼對(duì)擺角的影響，使研究周期與擺角關(guān)系的實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行。在得到周期與擺角的關(guān)系后，可以用外推至擺角為零的方法，精確測(cè)得擺角極小時(shí)的振動(dòng)周期值，從而更精確地測(cè)定重力加速度。

　　本實(shí)驗(yàn)儀采用伽利略外推法研究物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)思想，通過(guò)測(cè)量周期與擺角的關(guān)系，用外推法求得極小擺角時(shí)的振動(dòng)周期，這種設(shè)計(jì)思想在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加以運(yùn)用，取得了良好的效果。

應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)儀可以完成以下實(shí)驗(yàn)：

1. 固定單擺擺長(zhǎng)測(cè)量振動(dòng)周期，計(jì)算重力加速度；也可逐次改

變擺長(zhǎng)，測(cè)出相應(yīng)的周期，經(jīng)直線擬合求出重力加速度，并可驗(yàn)證擺長(zhǎng)與振動(dòng)周期平方成正比的關(guān)系。

2．用集成霍耳開關(guān)測(cè)得周期與擺角的關(guān)系，并可以用外推至擺

角為零的方法，精確測(cè)得擺角極小時(shí)的振動(dòng)周期值，從而更精確

的測(cè)定重力加速度。

3．研究單擺在大角度振動(dòng)時(shí)，非線性效應(yīng)的影響。

儀器主要技術(shù)參數(shù)：

1. 霍耳開關(guān)導(dǎo)通距離 11mm

2. 計(jì)數(shù)最大預(yù)置次數(shù) 60次

3. 計(jì)時(shí)分辨率 0.001S

 

 

 

 

一、概述

 

單擺實(shí)驗(yàn)在大學(xué)基礎(chǔ)物理和中學(xué)物理教學(xué)中都是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)。以往此實(shí)驗(yàn)都限于單擺在小角度（小于3°）內(nèi)做近似等周期擺動(dòng)的情況下，測(cè)量小球振動(dòng)周期，一般不涉及周期與擺角之間的關(guān)系。要研究此二者間關(guān)系就在不同擺角，甚至大擺角下進(jìn)行周期測(cè)量。傳統(tǒng)方法的周期測(cè)量用手控秒表計(jì)時(shí)，測(cè)量誤差較大。為了降低誤差，采用多周期測(cè)量后取平均值的方法，由于空氣阻尼的存在，擺角隨時(shí)間的延長(zhǎng)而衰減，因此無(wú)法精確測(cè)得大角下擺動(dòng)周期的準(zhǔn)確值。采用集成開關(guān)型霍耳傳感器和電子計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)之后，能夠在很短幾個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)得單擺在大角下的周期，這樣可以忽略空氣阻尼對(duì)擺角的影響，使研究周期與擺角關(guān)系的實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行。在得到周期與擺角的關(guān)系后，可以用外推至擺角為零的方法，精確測(cè)得擺角極小時(shí)的振動(dòng)周期值，從而更精確地測(cè)定重力加速度。

 

本實(shí)驗(yàn)儀采用伽利略外推法研究物理規(guī)律類似的實(shí)驗(yàn)思想，通過(guò)測(cè)量周期與擺角的關(guān)系，用外推法求得極小擺角時(shí)的振動(dòng)周期。這種物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加以運(yùn)用，取得了良好的效果。

 

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

 

1) 驗(yàn)證擺長(zhǎng)與周期之間的關(guān)系，求出重力加速度g。

 

  2) 測(cè)量擺角與周期之間的關(guān)系，作關(guān)系圖，求出重力加速度g。

 

儀器用途

 

1) 本儀器可以通過(guò)固定單擺擺長(zhǎng)測(cè)量振動(dòng)周期，計(jì)算重力加速度g；也可逐次改變擺長(zhǎng)，測(cè)出相應(yīng)的周期，經(jīng)直線擬合求出重力加速度g，并可驗(yàn)證擺長(zhǎng)與振動(dòng)周期平方成正比的關(guān)系。

 

2) 用集成霍耳開關(guān)可測(cè)得周期與擺角的關(guān)系，并可以用外推至擺角為零的方法，精確測(cè)得擺角極小時(shí)的振動(dòng)周期值，從而更精確地測(cè)定重力加速度。

 

3) 研究單擺在大角度振動(dòng)時(shí)，非線性效應(yīng)的影響。

 

技術(shù)指標(biāo)    

 

1) 電子計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)，精度為0.001s，每次測(cè)量不確定度小于0.003s。

 

2) 預(yù)置半周期次數(shù)在0~66次范圍內(nèi)，可任意調(diào)節(jié)計(jì)時(shí)次數(shù)(計(jì)數(shù)2次為1個(gè)周期)。

 

3) 集成霍耳開關(guān)應(yīng)放在小球正下方約1.0cm處，1.1cm為集成霍耳開關(guān)的導(dǎo)通（或截止）距離。

 

4) 電子計(jì)時(shí)器每計(jì)時(shí)一次，指示燈亮一次。

 

5) 本實(shí)驗(yàn)儀取擺角<45°的范圍，較精確地反映周期與擺角之間的關(guān)系。

 

6) 本儀器采用鏡尺測(cè)量單擺擺長(zhǎng)，可減少學(xué)生在測(cè)量時(shí)的視覺誤差，從而得到好的實(shí)驗(yàn)效果。