用单摆测重力加速度中单摆周期的测定

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用单摆测重力加速度实验中单摆周期的测定安学立(聊城大学物理科学与信息工程学院山东252059)摘要:对用单摆测重力加速度实验中单摆周期的测定进行了研究,设计了一种简易的自动测量单摆周期的装置,克服了传统测量方法存在的不足,降低了单摆周期测量的误差。关键词:单摆周期光电门电子秒表中国图书馆分类号:O59在用单摆测重力加速度实验中,为了求出重力加速度,需要测定单摆的周期。传统的测量单摆周期的方法是在摆球摆到最低点时人工操作秒表开始计时,测量单摆50个周期的总时间t,则单摆的周期T为50tT以上方法存在如下不足:1、在摆球摆到最低点,开始计时或停止计时时,由于是人工操作秒表计时,不可避免会出现超前或滞后计时的情况,存在较大的计时误差。2、学生数单摆周期的个数时,由于实验时间长,周期个数多,容易出现多数少数的情况。为了克服以上不足,笔者自制了一套测量单摆周期的简易装置。电路原理如图1所示。图1电路原理图图中5GLB为光电门的发射管,接+12V的直流电源,3DU5B为光电门接收管,接在三极管V的b,e之间;三极管V选用3DK6,作为开关管,用以控制电子秒表的计时。实验中计时秒表选用奥赛克(ultrak)品牌的DT100型号的田径用电子秒表,该秒表有“100跑道”记忆功能。为了实现自动计时,把电子秒表拆开,用导线把秒表的“计时键”引出,接在图1中三极管V的c,e之间。当V饱和导通时,ce之间的电阻很小,相当于短路,也就相当于按了一下电子秒表的“计时键”,秒表开始计时;以后,三极管V每饱和导通一次,秒表便计时一次,记录下该时刻的时间,共可以记录“100跑道”时间。三极管V饱和导通与否,受单摆摆球位置的控制。实验时,让摆球自然下垂,调整光电门的位置,使其正对准摆球的球心。然后将摆球拉开小于50的角度,使摆球摆动时在同一平面内(具体做法可参考有关文献,这里不再累述),为单摆运动,并保证摆球摆动时能顺利通过光电门而遮光。当摆球开始摆动后,若光电门没有被遮住,则光电门的接收管3DU5B受到其发射管5GLB的照射而导通,导通后其电阻约为4KΩ,该电阻与R1分压后,使三极管基极b的对地电位约为0.13V,三极管截止,ce间相当于无穷大的电阻,电子秒表不动作。当摆球首次摆到在光电门之间时,因光电门发射管发射的光线被遮住,则其接收管截止,截止后接收管的电阻为无穷大,则b点的对地电位约为12V,三极管饱和导通,ce间电阻很小,相当于短路,也就相当于按了一下秒表的“计时键”,秒表开始计时。当摆球第二次摆到光电门之间时,光电门再次被遮光,相当于又按了一下秒表的“计时键”,则把该时刻的时间(从开始计时到本次遮光的时间)记录在秒表的“第1跑道”。这里需要注意:由于摆球有一定的大小,摆球边沿遮住光电门时已经计时,故该道记录的时间略小于单摆的半个周期。同理,当摆球第三次摆到光电门之间时,秒表将该时刻的时间记录在“第2跑道”。由于首次遮光摆球的位置与第三次遮光摆球的位置相同,故此时单摆完成了一次全振动,秒表“第2跑道”记录的正好是单摆一个周期T的时间,与摆球的大小无关。依次类推,秒表“第4跑道”记录的是单摆2T的时间,“第6跑道”记录的单摆3T的时间……“第100跑道”记录的是单摆50T的时间。处理数据时,只需要把秒表“偶数跑道”内记录的数据读出即可。这里需要说明的是,本实验为了调节方便,让摆球在最低位置遮住光电门来测量周期。实际上,摆球在何位置遮住光电门并不影响对周期的测量(由于单摆振幅越来越小,不能选择摆球在最高点遮光),只要在整个实验过程中,摆球摆动时能够对光电门正常遮光即可。这也从另一个角度说明,本实验装置调节光电门遮光位置的便捷性。该实验装置对单摆周期T的测量是自动完成的,克服了传统计时的不足,降低了周期测量的误差。而且,该装置不仅能测量多个周期(如50T)的总时间,还能够较准确的测量单个周期的时间。实验中用到的器件和电子秒表也是常见的。因此该装置具有较高的实用性。参考文献:[1]杨述武.普通物理实验(一).北京:高等教育出版社,1993.[2]李映桃主编.物理实验.上海:华东师范大学出版社,2009.[3]阎石.数字电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,2003.[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2002.DeterminationofPendulumCyclesMeasuredintheAccelerationofGravityExperimentswiththePendulumANXue-li(LiaochengUniversity,InstituteofPhysicsScienceandInformationEngineering,Shandong252059)作者简介:安学立(1973.10),男,山东聊城人,讲师,工学硕士,研究方向:物理学、电子信息、通信系统。Email:anxueli@lcu.edu.cn联系电话:15966204062全文约2058字符数。

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