有關(guān)單擺實驗教學(xué)的探討

趙杰

摘要：單擺實驗是基本的力學(xué)實驗，但在實驗操作指導(dǎo)中仍有一些誤區(qū)，影響實驗結(jié)果。本文在實驗的基礎(chǔ)上探討了實驗條件，給出了擺長不確定度的估計方法，和累積周期次數(shù)要適當(dāng)、擺角可放寬等結(jié)論。

關(guān)鍵詞：單擺實驗；測量條件；探討

中圖分類號：G642.423 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2013）29-0131-02

單擺實驗是大學(xué)物理實驗教學(xué)的一個重要的力學(xué)題目，理論推導(dǎo)得出，由此通過擺動周期的測量來間接測定當(dāng)?shù)刂亓铀俣纫约把芯繂螖[運動的特性。實驗原理簡單，只需測量擺動周期的時間和單擺的長度即可。但操作起來不容易，操作不當(dāng)，測量誤差大。

關(guān)于實驗條件的選取仍有探討的余地，如連續(xù)測量周期的個數(shù)是否越多越好，擺角是否必須小于，光電門的位置的選取與測量是否無關(guān)，一次性測量擺長，其不確定度只有B類的等，本文就實驗條件做了相關(guān)實驗和分析，希望結(jié)論能用來指導(dǎo)學(xué)生操作，減小實驗誤差。

一、擺長的測量不確定度

擺長等于懸點到擺球的上頂點的距離加上擺球的半徑。實驗時用刻度1mm米尺測量懸點到擺球的上頂點的距離。若待測物端點與米尺對齊，則測量值能準(zhǔn)確讀到毫米，估讀到二、累積周期次數(shù)的選取

采用累積周期法測量周期，目的是減小系統(tǒng)誤差的影響，理論上累積次數(shù)加倍，誤差也會加倍降低。人們通常認為累積倍數(shù)越多越好。為此做了相關(guān)實驗，來尋找合適的累積次數(shù)。

1.周期測量實驗

2.實驗數(shù)據(jù)分析

測量1T時間時，重復(fù)測量值之間離散較大，精確度較低，原因是擋光針是一個小細棒，有些傾斜，單擺運動時擋光棒經(jīng)常是在緩慢轉(zhuǎn)動，所以每次擋光的表面位置可能有所不同。但優(yōu)點是測量快，不到2秒就可出一個數(shù)據(jù)，能很快發(fā)現(xiàn)擺動是否理想，及時調(diào)整操作。

30T的測量結(jié)果，精度較高，誤差較小，但缺點是時間長，一個數(shù)據(jù)要1分鐘，一次起擺最多能重復(fù)測量3次，多組數(shù)據(jù)需要多次起擺，此外振幅衰減明顯。

10T的測量結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度也高，測量速度較快，振幅衰減不明顯，測量結(jié)果在三種選擇中最好。

3.實驗結(jié)論

累積次數(shù)通常選擇小于10T。如果計時精度要求低，直接測量一個周期的時間即能滿足要求。

三、擺角的控制要求

2.實驗分析

隨著？茲增加，周期隨著增加；與理論值相差越來越大；5？紫擺角的運動與擺角10？紫的周期之間的差別很小，淹沒在測量系統(tǒng)的誤差內(nèi)，即10？紫以內(nèi)的擺動周期的測量值都是一樣的。

3.實驗結(jié)論

實驗指導(dǎo)時，可將擺角小于5？紫的實驗條件放寬到10？紫以內(nèi)，不影響實驗結(jié)果。

四、在操作指導(dǎo)時應(yīng)注意的兩個問題

1.起擺方式

一種方式手持?jǐn)[球使之偏離平衡位置，然后靜止釋放，單擺開始往復(fù)運動。另一種方式是單擺靜止在平衡位置時，輕輕敲擊，給予一速度，使單擺開始擺動。實驗操作發(fā)現(xiàn)第二種方式要比第一種好，因為容易控制，扭擺的可能性要小。

2.光電門的位置

理論上計時瞬間與擺球位置沒有關(guān)系，但實驗操作發(fā)現(xiàn)，球擺到一側(cè)最大位置時開始計時，與球運動到另一側(cè)最大位置時開始計時，其測量值有明顯的差別，尤其是測量一個周期時。當(dāng)擺正光電門位置時，結(jié)果有明顯的改善。因此，光電門要安放在單擺靜止時擺球的正下方，擋光針正好擋住光束的位置。

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