轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)裝置的改進(jìn)

李成龍,張 潔,劉 振

(安徽理工大學(xué)理學(xué)院,安徽淮南230001)

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

在物理實(shí)驗(yàn)中,時(shí)間是最基本的待測(cè)物理量.而測(cè)量時(shí)間的諸多方法中,三線懸盤(pán)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)中周期的測(cè)量最為典型.

我校該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳白罹叽硇缘臏y(cè)量方法有2種.第一種是以FD-M S-Ⅱ型三線擺為代表,如圖1所示.這種計(jì)時(shí)裝置將激光器發(fā)射器與光敏二極管組合,其特點(diǎn)是發(fā)射裝置與接收裝置分開(kāi),利用3根懸線中的1根來(lái)周期遮光從而獲得計(jì)時(shí)脈沖.這套裝置最大缺點(diǎn)是分立式結(jié)構(gòu)使激光束的瞄準(zhǔn)調(diào)整很困難,有時(shí)很難讓激光器發(fā)出的激光照射到接收管.其次懸線較細(xì),有時(shí)不能完全遮光,有時(shí)2根同時(shí)遮光,導(dǎo)致經(jīng)常漏記周期,使測(cè)量的周期誤差較大.

圖1 FD-MS-Ⅱ型三線擺

第二種是以DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀為代表,如圖2所示.雖然這種計(jì)時(shí)裝置將紅外線發(fā)射與接收進(jìn)行一體化封裝,克服了 FD-M S-Ⅱ型瞄準(zhǔn)調(diào)整困難這一缺點(diǎn),但其遮光裝置為懸盤(pán)上的附加金屬桿,附加金屬桿易改變懸盤(pán)的形狀與質(zhì)量分布,進(jìn)而影響懸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論計(jì)算精度,而且由于擋桿過(guò)短以至常漏遮光束,使周期測(cè)量有較大誤差.此外實(shí)踐操作中還常常出現(xiàn)該裝置碰撞紅外線發(fā)射與接收裝置,致使三線擺停擺,嚴(yán)重時(shí)還可能撞壞U型的紅外收發(fā)裝置.

圖2 DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀

2 新裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

光反射式激光計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)有助于克服上述缺點(diǎn),其裝置如圖3所示.

圖3 光反射式激光計(jì)時(shí)器裝置圖

該裝置將半導(dǎo)體激光發(fā)射器與光敏二極管的接收裝置合在一起,做成一體化的發(fā)射接收盒,激光照射到懸盤(pán)側(cè)面被反射回來(lái),經(jīng)光敏管接收送計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí).應(yīng)用到DH4601型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀上,因懸盤(pán)是不銹鋼材質(zhì)可直接反射激光,無(wú)需改造效果很好,而 FD-M S-Ⅱ型三線擺,其鋁合金懸盤(pán)反光很弱,側(cè)面則需用細(xì)砂紙拋光,或貼上反光金屬箔,側(cè)面的反光部位取1 cm2即可,其他側(cè)面部位則可涂上黑漆.

這種反射式發(fā)射接收裝置,實(shí)驗(yàn)時(shí)只需調(diào)整激光器與懸盤(pán)水平等高,然后轉(zhuǎn)動(dòng)懸盤(pán),觀察懸盤(pán)側(cè)面反射的激光光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡,是否能掃過(guò)接收的光敏管.實(shí)際操作中基本無(wú)需太多調(diào)整,反射的光斑軌跡就能掃過(guò)光敏管,計(jì)時(shí)器顯示有同步的計(jì)數(shù)脈沖.

利用該反射式激光計(jì)時(shí)裝置測(cè)量三線擺擺動(dòng)周期,進(jìn)而測(cè)出擺盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[1],與原實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,如表1和表2所示.

通過(guò)計(jì)算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值為2.028×10-3kg·m2.從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)看,雖然測(cè)量結(jié)果的誤差都在實(shí)驗(yàn)許可范圍之內(nèi),但新的計(jì)時(shí)裝置易于調(diào)整,計(jì)時(shí)準(zhǔn)確,數(shù)值的離散程度較好.

表1 周期的測(cè)量對(duì)比(25個(gè)周期總時(shí)間)

表2 計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

1)采用激光發(fā)射與接收一體化設(shè)計(jì)便于調(diào)整,節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間,使得大部分同學(xué)能有足夠的時(shí)間去做驗(yàn)證平行軸定理的實(shí)驗(yàn),充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.

2)該裝置不改變懸盤(pán)的形狀與質(zhì)量分布,也不影響擺盤(pán)的擺動(dòng)周期與幅度,使得實(shí)驗(yàn)的理論值與測(cè)量值更吻合.

3)弧形的反射面使反射光斑增大,不易漏測(cè)周期,測(cè)量更精確.

[1] 丁慎訓(xùn),張連芳.物理實(shí)驗(yàn)教程[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2002.

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