用凯特摆测量重力加速度实验报告

用凯特摆测量重力加速度

实验目的：学习凯特摆的实验设计思想和技巧，掌握一种比较精确的测量重力加速度的方法。

实验原理：1、当摆幅很小时，刚体绕O轴摆动的周期：

刚体质量m，重心G到转轴O的距离h，绕O轴的转动惯量I，复

。

摆绕通过重心G的转轴的转动惯量为I

G

当G轴与O轴平行时，有I=I

+mh2

G

∴

+mh2 )/mh

∴复摆的等效摆长l=( I

G

2、利用复摆的共轭性：在复摆重心G旁，存在两点O和O´，可使

该摆以O为悬点的摆动周期T₁与以O´为悬点的摆动周期T₂相同，

可证得|OO´|=l，可精确求得l。

3、对于凯特摆，两刀口间距就是l，可通过调节A、B、C、D四摆

锤得位置使正、倒悬挂时得摆动周期T₁≈T₂。

∴4π²/g=(T₁²+T₂²)/2l + (T₁²-T₂²)/2(2h₁-l) = a + b

实验仪器：凯特摆、光电探头、米尺、数字测试仪。

实验内容：1、仪器调节

选定两刀口间得距离即该摆得等效摆长l，使两刀口相对摆杆基本

对称，并相互平行，用米尺测出l的值，粗略估算T值。

将摆杆悬挂到支架上水平的V形刀承上，调节底座上的螺丝，借

助于铅垂线，使摆杆能在铅垂面内自由摆动，倒挂也如此。

将光电探头放在摆杆下方，让摆针在摆动时经过光电探测器。

让摆杆作小角度摆动，待稳定后，按下reset钮，则测试仪开始

自动记录一个周期的时间。

2、测量摆动周期T₁和T₂

调整四个摆锤的位置，使T₁和T₂逐渐靠近，差值小于0.001s，测

量正、倒摆动10个周期的时间10T₁和10T₂各测5次取平均值。

3、计算重力加速度g及其标准误差σ

g

。

将摆杆从刀承上取下，平放在刀口上，使其平衡，平衡点即重心G。

测出|GO|即h₁，代入公式计算g。

推导误差传递公式计算σ

g

。

实验数据处理：1、l的值

l=⅓(l₁+l₂+l₃)=74.17cm

σ＝0.03055cm，u

A

=σ/=0.01764cm，

∴Δ

A ＝t

P

·u

A

=1.32*0.01764=0.02328cm

u B=Δ

B

/C=0.1/3=0.03333cm

∴u

L

==0.04066cm

T

e

==1.729s

2、T₁和T₂的值

T₁＝1.72746s

σ＝2.525*10¯⁴s，u

A

=σ/=1.129*10¯⁴s

∴Δ

A ＝t

P

·u

A

=1.14*0.0001129=1.287*10¯⁴s

u B=Δ

B

/C=0.0001/3=0.3333*10¯⁴s

∴u

T1

==1.329*10¯⁴s

T₂=1.72751s

σ＝1.469*10¯⁴s，u

A

=σ/=0.6570*10¯⁴s

∴Δ

A ＝t

P

·u

A

=1.14*0.00006570=0.7489*10¯⁴s

u B=Δ

B

/C=0.0001/3=0.3333*10¯⁴s

∴u

T2

==0.8197*10¯⁴s

3、重力加速度g

h₁=44.46cm

∴g=4π²/[(T₁²+T₂²)/2l + (T₁²-T₂²)/2(2h₁-l)]

=4π²/{(1.72746²+1.72751²)/(2*74.17*10¯²)

+(1.72746²-1.72751²)/[2*(2*44.46*10¯²-74.17*10¯²)]} =9.813m/s²

∴u

g0.68 =g·{l¯²* u

L

²+[2 T₁/(T₁²+T₂²)]²·u

T1

²

+[2 T₂/(T₁²+T₂²)]²·u

T2

²}

=9.813*{(74.17*10¯²)¯²*(0.04066*10¯²)²

+[2*1.72746/(1.72746²+1.72751²)]²*(1.329*10¯⁴)²

+[2*1.72751/(1.72746²+1.72751²)]²

*(0.8197*10¯⁴)²}

=0.00545m/s²

∴u

g0.95 =2* u

g0.68

=0.011 m/s²

∴g=(9.813±0.011) m/s² P=0.95

思考题：1、凯特摆测重力加速度，在实验设计上有什么特点？避免了什么量的测量？降低了哪个量的测量精度？实验上如何来实现?

答：凯特摆测重力加速度在实验设计上把不可测的量转换成可测的量，

利用复摆上两点的共轭性，对难以精确测定的量，有些避免了对其的

测量，不能避免的则降低了其测量精度。避免了对复摆转动惯量I

G

的测量，降低了对重心G到悬点O的距离h₁的测量。实验上利用复摆上

两点的共轭性，通过调节四个摆锤的位置，使得两刀口共轭，则两刀

口距离即为等效摆长l，避免了对I

G

的测量，此时正、倒悬挂的摆动周期基本相等，从而使4π²/g=a+b中不易精确求得的b项远小于a

项，这样b项的不精确对测量结果产生的影响就微乎其微了。