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中級(jí)會(huì)員 | 第8年

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美華儀為您介紹自由落體重力加速度測(cè)量?jī)x

時(shí)間:2018/11/30閱讀:697
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結(jié)構(gòu)與點(diǎn)
3.1 儀器由帶有標(biāo)尺的鋁合金型材為主體,端裝有電磁鐵吸器,中間裝有兩個(gè)可意移動(dòng)的光電門光電傳感器,下端裝有接架網(wǎng),立柱下端固定在可調(diào)節(jié)的三腳支架上。
3.2 鋼的起始位置由電磁鐵的固定支架端板的下端“ ”形的下邊沿作為位置針,能方便地調(diào)節(jié)確定鋼自由下落的起始刻度基準(zhǔn)。
3.3 立柱上端裝有電磁鐵吸器,當(dāng)電磁鐵線圈接通直6V電源時(shí),電磁鐵吸住鋼,切斷電源時(shí),鋼下落作自由落體運(yùn)動(dòng)。電磁鐵的支架上還裝有兩個(gè)接線柱,可以與頻閃光源的同步輸入開關(guān)及學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源直6V相連接用于頻閃照相實(shí)驗(yàn)用。(注:原接電纜的接線端子可卸下不用)
3.4 兩個(gè)光電門由小型聚光電珠和光敏接收管組成。兩個(gè)光電門可以上下意移動(dòng),在立柱上的位置由光電門支架的凹型槽底邊所對(duì)標(biāo)尺的刻度決定。
3.5 主體立柱固定在三腳支架上,利用三腳支架上的調(diào)節(jié)螺栓,配合重錘線可方便地調(diào)節(jié)立柱與地面的垂直度。
3.6 ≥1.5m型的底座和三腳支架為鑄鐵腿,增加了儀器的穩(wěn)固性,提了儀器的抗震性能,有利于提實(shí)驗(yàn)度。鑄鐵式三腳支架是可拆卸的,便于運(yùn)輸和貯存。
≥1.5m型的三腳支架為便攜式,將儀器提起時(shí)它可以靠自重自動(dòng)收攏,便于搬動(dòng)和運(yùn)輸,實(shí)驗(yàn)時(shí)為了保持調(diào)好的垂直度,可以用儀器配備的架腿附件限位螺釘鎖住。
4 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備
4.1 整機(jī)組裝:
(1)HAD-LG-2型:將三個(gè)鑄鐵架腿用M6內(nèi)六角螺釘緊固在底盤上,(內(nèi)六角搬手在附件盒內(nèi)),三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘分別裝在架腿上(見圖二)。
(2)HAD-LG-1型:將架腿附件調(diào)節(jié)螺釘裝入架腿底的M10螺孔中,以備后用。
(3)將電磁鐵吸器,兩個(gè)光電門及接架按圖所示用鎖緊螺釘固定在主體上,將四芯插頭插入計(jì)時(shí)器標(biāo)有“自由落體”的四芯插座上,接通J0201-G-2計(jì)時(shí)器電源,計(jì)時(shí)器顯示“0.00ms”,說(shuō)明兩個(gè)光電門作正常。
4.2 將電磁鐵吸器,調(diào)節(jié)到刻度尺0點(diǎn)處,使鋼自由下落的起始位置為0cm。
4.3 調(diào)垂直度:將儀器所配的重錘懸掛在電磁鐵吸器的鐵芯中心孔上,將兩個(gè)光電門分別置于立柱的中、下端處,細(xì)心調(diào)節(jié)三腳支架上的調(diào)節(jié)螺栓,使重錘線處于兩個(gè)光電門的
正中。從主體正面觀察時(shí)重錘線應(yīng)與光電門中間的凹形槽處白線重合,從主體側(cè)面觀察重錘線應(yīng)與光電門兩側(cè)白線重合,即認(rèn)為重錘線正好處于光電門的中心處,儀器的垂直度調(diào)好后,將重錘線取下,就可以做實(shí)驗(yàn)了。
5 實(shí)驗(yàn)
以下實(shí)驗(yàn)均按選配J0201-G-2自由落體智能計(jì)時(shí)器為例。
5.1 實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。
(1)實(shí)驗(yàn)原理:初速度為零的自由落體運(yùn)動(dòng)其公式
(1)
如果物體下落的時(shí)間?。簍1:t2:t3=1:2:3,則下落的距離就會(huì)得出:h1:h2:h3=1:4:9。
(2)實(shí)驗(yàn)操作:儀器與計(jì)時(shí)器連接好,接通計(jì)時(shí)器電源,將計(jì)時(shí)器的電磁鐵開關(guān)撥到“吸”位置上,電磁鐵通電,將鋼吸住,(注意鋼應(yīng)吸在電磁鐵的中心處)。同步開關(guān)撥到“放”位置時(shí),切斷電磁鐵電源,鋼自由下落,計(jì)時(shí)器同步計(jì)時(shí),當(dāng)鋼通過(guò)兩個(gè)光電門后計(jì)時(shí)器自動(dòng)停止計(jì)時(shí),并循環(huán)顯示出鋼下落的時(shí)間t。
實(shí)驗(yàn)中,依次移動(dòng)光電門,使光電門的中凹形槽底邊對(duì)準(zhǔn)立柱標(biāo)尺的10cm,40cm,90cm處,分別測(cè)出下落的時(shí)間t1、t2、t3,每個(gè)時(shí)間測(cè)五次取平均值。如果可以得到h1:h2:h3=1:4:9對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間t1:t2:t3=1:2:3的關(guān)系,驗(yàn)證了自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。
5.2 實(shí)驗(yàn)二:測(cè)量重力加速度g值。
(1) 實(shí)驗(yàn)原理:根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)公式(1)h=gt2/2可以得到
(2)
只要測(cè)出物體下落的距離h和對(duì)應(yīng)的下落時(shí)間t,就可以計(jì)算出重力加速度g值來(lái)。
(2)實(shí)驗(yàn)操作:將光電門移至標(biāo)尺100cm處,實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程同實(shí)驗(yàn),分別測(cè)量五次,取平均值,將所測(cè)量的數(shù)據(jù)代入公式(2),即可求出重力加速度g值。
這種實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、方便,但測(cè)得的重力加速度g值般誤差較大。原因:
a). h的測(cè)量有困難,h的起始點(diǎn)為鋼的直徑下沿,但當(dāng)鋼通過(guò)光電門時(shí),不定正好是鋼的直徑下沿,很可能偏離些,帶來(lái)定的△h誤差。
b). 由于電磁鐵斷電的瞬間,電磁鐵有剩磁,鋼滯后下落,這就成了時(shí)間測(cè)量上的誤差。
5.3 實(shí)驗(yàn)三:初速度不為零且相等的自由落體實(shí)驗(yàn)法,測(cè)量g值。
(1)實(shí)驗(yàn)原理:為了減少電磁鐵剩磁和h測(cè)量的誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)度帶來(lái)的影響,采用初速度不為零的自由落體運(yùn)動(dòng),其公式h=V0t+gt2/2,見圖三。將兩個(gè)光電門分別置于A,B兩點(diǎn)處,鋼從零點(diǎn)開始自由下落,設(shè)到達(dá)A點(diǎn)的速度為V0,再經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后,鋼到達(dá)B點(diǎn),AB兩點(diǎn)間的距離為h1,則有:
h1=V0t1+gt12/2 (3)
將光電門B下移段距離至B'點(diǎn),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。設(shè)鋼從A點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)間t2到達(dá)B'點(diǎn),AB'兩點(diǎn)間距離為h2,則有:
h1=V0t2+gt22/2 (4)

將式(4)×t1,式(3)×t2,兩式相減得:
h2t1-h1t2=g(t22t1-t12t2)/2
g=2(h2/t2-h1/t1)/(t2-t1) (5)
實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差計(jì)算公式為:δ=│g標(biāo)-g測(cè)│/g標(biāo)x100%…………… (6)
重力加速度的理論值g=980.094cm/s2
這樣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)二的多,與標(biāo)準(zhǔn)重力加速度的相對(duì)誤差可做到≤1%。
5.3.2 實(shí)驗(yàn)操作
儀器與計(jì)時(shí)器連接好,調(diào)整好,將二個(gè)光電門分別移到40cm,80cm標(biāo)尺刻度處,接通計(jì)時(shí)器電源,將同步開關(guān)撥到“吸”位置上,電磁鐵通電,將鋼吸住,按清零鍵使屏幕顯示“0.00”。將同步開關(guān)撥到“放”位置上,鋼自由下落通過(guò)兩個(gè)光電門,計(jì)時(shí)器自動(dòng)顯示出鋼通過(guò)兩個(gè)光電門40cm~80cm的的間隔時(shí)間t2-t1為(5)式中的t1,重復(fù)做五次實(shí)驗(yàn),取其平均值。再將下端處的光電門移到100cm處,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),取t2平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(5),可計(jì)算出g的測(cè)量值,代入公式(6)求出相對(duì)誤差。
5.4 實(shí)驗(yàn)四:
與頻閃光源,照相機(jī),學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源和黑布幕配合做自由落體運(yùn)動(dòng)的頻閃照像,具體的實(shí)驗(yàn)方法可參照J(rèn)02015-2簡(jiǎn)易頻閃光源的使用說(shuō)明書。將沖洗好的底片用投影儀投射到墻上,用直尺(或盒尺)分別測(cè)量出鋼在各段相等的時(shí)間內(nèi)下落的位移,h1、h2、h3…hn,如果能驗(yàn)證在各段相等的時(shí)間內(nèi)位移的增加量△h=h2-h1=h3-h2=……=hn-hn-1都相等,則可判斷、驗(yàn)證自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。并且從影像上可以直觀形象地觀察到鋼自由下落的運(yùn)動(dòng)軌跡。
6 注意事項(xiàng)
6.1 嚴(yán)禁帶電行光電門接口的插、拔操作,以免成儀器損壞。
6.2 電磁鐵吸器電源的+(紅色接線柱)、-(黑色),不能反接,以免成儀器損壞。
6.3 作自由落體實(shí)驗(yàn)的度般應(yīng)>0.1m。因?yàn)椋仍叫缀纬叽绲恼`差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響越大。

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