三線擺轉(zhuǎn)動角度控制裝置的設(shè)計

吳 波，朱瑜，左安友

（湖北民族學院，湖北 恩施 445000）

用三線擺測量物體的轉(zhuǎn)動慣量是一種比較常見的方法［1－6］，目前本校采用復旦大學物理實驗教學中心研制的FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀。該儀器的優(yōu)點是安裝了計時計數(shù)毫秒儀，它的準確度為0.001 s，取代了秒表測圓盤繞中心軸的轉(zhuǎn)動慣量，比用秒表手工測量準確，而且速度快，可以大大節(jié)省實驗時所花的時間。但該儀器設(shè)計上的缺陷是沒有安裝角度控制裝置，導致在實驗時較難準確控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動角度的大小，影響實驗的精度。據(jù)觀察，學生實驗時一般轉(zhuǎn)動都會大于5°，這樣就會大大的增加實驗誤差。為了使實驗的結(jié)果更加精確，為該儀器設(shè)計簡單易行的角度控制裝置是十分必要的。

中南林學院的曹建湘同志曾為三線擺設(shè)計過轉(zhuǎn)動角度控制裝置［7］，此設(shè)計中轉(zhuǎn)動角度控制裝置安裝在上圓盤，這樣可較好控制轉(zhuǎn)動圓盤的轉(zhuǎn)動角度。衡水師專物理系盧學偉、蘇元敏也曾為三線擺設(shè)計過轉(zhuǎn)動角度控制裝置［8］，他們自制量角器安裝在立桿上，當三線擺擺動起來后，以它的一根懸線為參考，看到擺扭轉(zhuǎn)角符合要求后，即開始測量周期。

文章中的FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀設(shè)計不同于以上兩種方案的轉(zhuǎn)動角度控制裝置，為本校的實驗教學提供方便。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計方案一

（1）在 FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀的支架下端安裝一個F形固定的指針。

（2）在下轉(zhuǎn)動圓盤的圓周邊上安裝一個圓周角度刻度條。

（3）調(diào)整F形指針與刻度條刻度線相互平行，轉(zhuǎn)動下圓盤時，可觀察到指針經(jīng)過刻度的角度數(shù)值，因此可精確控制轉(zhuǎn)動角度小于5°。

1.2 設(shè)計方案二

（1）在 FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀的底座上安裝一個圓環(huán)狀的角度刻度盤，高度與下轉(zhuǎn)動圓盤一致，其內(nèi)半徑比下轉(zhuǎn)動圓盤半徑約大2 c m，這樣是為了使此圓環(huán)能剛好套在下轉(zhuǎn)動圓盤外，并且不影響下圓盤的扭轉(zhuǎn)擺動。

（2）在下轉(zhuǎn)動圓盤的上表面固定一顆大概2 c m長的指針，其質(zhì)量相對整個下轉(zhuǎn)動圓盤的質(zhì)量來講可以忽略不計。

（3）調(diào)整下轉(zhuǎn)動圓盤上的指針和安裝在底座上的圓環(huán)，使指針與圓環(huán)上的刻度線相互平行，轉(zhuǎn)動下圓盤時，可觀察到指針經(jīng)過刻度的角度數(shù)值，因此可精確控制轉(zhuǎn)動角度小于5°。

2 結(jié) 論

以上兩種FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀的轉(zhuǎn)動角度控制裝置不僅能夠?qū)⑾聢A盤的轉(zhuǎn)動角度精確控制在5°范圍內(nèi)，而且這兩種轉(zhuǎn)動角度控制裝置的制作方法比較簡單，其所需的材料也比較容易得到。把自制的FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀的轉(zhuǎn)動角度控制裝置用于實驗中，避免扭轉(zhuǎn)時控制角度的盲目性，減少了實驗誤差，收到十分理想的效果。

與中南林學院的曹建湘同志設(shè)計的轉(zhuǎn)動角度控制裝置相比較，文章設(shè)計的裝置是安裝在下圓盤的。當圓盤扭轉(zhuǎn)時，下圓盤擺動的幅度要比上圓盤扭擺的幅度大得多，即使是扭擺的角度相當小時，下圓盤的擺動幅度也是能分辨的，由于實驗條件之一是下懸盤的轉(zhuǎn)動角度要小于5°，所以文章設(shè)計的裝置更容易控制下轉(zhuǎn)動圓盤擺角，從而使實驗結(jié)果更加精確。

就文章中的2種設(shè)計方案比較，第一種裝置在制作方面要比第二種裝置制作簡單一些，但兩者在實驗中所起到的效果是一樣的，差別僅僅在于制作上的難度不同而已。所以教學中可優(yōu)先選擇第一種設(shè)計方案。

2種設(shè)計裝置如果能大規(guī)模的生產(chǎn)，其中還有一些地方需要改進。在設(shè)計方案一中的F形指針，加工時可將底座設(shè)計成高度可自由調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)型底座，與FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀中的激光接收器的底座相似，這樣，無論擺線的長短，指針都可以調(diào)節(jié)到剛好與刻度條對準的高度。設(shè)計方案二中的圓環(huán)底座在加工時也需要將底座設(shè)計為高度可自由調(diào)節(jié)的底座，這樣才能保證圓環(huán)的高度始終與下圓盤的高度一致。

以上關(guān)于FD－I M－II新型轉(zhuǎn)動慣量測定儀的轉(zhuǎn)動角度控制裝置的設(shè)計方案是不成熟的，是極其粗糙的，望各位讀者予以批評指正。

［1］毛愛華，劉官元，董大明.放置不同物體三線擺轉(zhuǎn)動周期變化規(guī)律研究［J］.大學物理，2009，28（4）：18－19.

［2］盛忠志，易德文，楊惡惡.三線擺法測剛體的轉(zhuǎn)動慣量所用近似方法對測量結(jié)果的影響［J］.大學物理，2004，23（2）：44－46.

［3］王麗南，陳殿偉.利用三線擺驗證轉(zhuǎn)動慣量的平行軸定理［J］.大學物理實驗，2004，17（4）：43－45.

［4］趙學薈，侯文.考慮擺線拉伸效應(yīng)的三線擺測量轉(zhuǎn)動慣量方法的研究［J］.宇航計測技術(shù)，2006，26（6）：26－29.

［5］夏雪珍.“比較測量法”在三線擺實驗中的應(yīng)用［J］.大學物理實驗，2011（5）：47－50.

［6］馬亞林，陳建新.扭擺法測量物體轉(zhuǎn)功慣量的不確定度分析［J］.大學物理實驗，2011（1）：93－96.

［7］曹建湘.三線擺實驗儀角度控制裝置的設(shè)計與制作［J］.大學物理實驗，2005，18（1）：44－45.

［8］盧學偉，蘇元敏.三線擺測物體轉(zhuǎn)動慣量實驗的改進［J］.物理通報，1997（4）：31－32.