单摆的基础实验

实验三 单摆的基础实验

单摆是由一摆线l 连着重量为mg 的摆锤所组成的力学系统，是力学基础教科书中都要讨论的一个力学模型。当年伽利略在观察比萨教堂中的吊灯摆动时发现，摆长一定的摆，其摆动‘周期不因摆角而变化，因此可用它来计时，后来惠更斯利用了伽利略的这个观察结果，发明了摆钟。如今进行的单摆实验，是要进一步精确地研究该力学系统所包含的力学线性和非线性运动行为。

一 实验目的

1、学会使用计时器和米尺，测准摆的周期和摆长。

2、验证摆长与周期的关系,掌握使用单摆测量当地重力加速度的方法。

3、初步了解误差的传递和合成。

二 仪 器 与 用 具

单摆实验装置，计时器，米尺。 三 实验原理

1利用单摆测量当地的重力加速度值g

用一不可伸长的轻线悬挂一小球，作幅角θ很小的摆动就是一单摆。如图1所示。

设小球的质量为m ，其质心到摆的支点O 的距离为l (摆长)。作用在小球上的切向力的大小为θsin mg ，它总指向平衡点O '。当θ角很小，则θθ≈sin ，切向力的大小为θmg ，按牛顿第二定律，质点的运动方程为

θsin mg ma -=切， 即 θθ

sin 22mg dt

d ml -=，

因为θθ≈sin ，所以

θθl g

dt d -=2

2， (1)

这是一简谐运动方程(参阅普通物理学中的简谐振动)，(1)式的

解为

)cos()(0φωθ+=t P t ， （2） l

g

T

==

π

ω20， （3） 式中, P 为振幅，φ为幅角，0ω为角频率（固有频率），T 为周

期。可见，单摆在摆角很小，不计阻力时的摆动为简谐振动，

简谐振动是一切线性振动系统的共同特性，它们都以自己的固有频率作正弦振动，与此同类的系统有：线性弹簧上的振子，LC 振荡回路中的电流，微波与光

学谐振腔中的电磁场，电子围绕原子核的运动等，因此单摆的线性振动，是具有代表性的。由（3）式可知该简谐振动固有角频率0ω的平方等于l g /，由此得出

g l T π

2=， 224T

l

g π=， (4)

由（4）式可知，周期只与摆长有关。实验时，测量一个周期的相对误差较大，一般是测量连续摆动n 个周期的时间t ，由（4）式得

222

4t

l

n g π=， (5)

式中π和n 不考虑误差，因此（5）式的误差传递公式为

t

t

l l g g ∆+∆=∆2 ， (6) 从上式可以看出，在l ∆、t ∆大体一定的情况下，增大l 和t 对测量g 有利。

四 实 验 内 容

1、 分别用米尺和游标卡尺,测量摆线长和摆球的半径.摆长l 等于摆线长加摆球的半径。

2、 当摆球的振幅小于摆长的

12

1

时，摆角 5<θ。 3、 如果用停表测量周期, 当摆锤过平衡位置O '时，按表计时，握停表的手和小球同步运动，为了防止数错n 值，应在计时开始时数“零”，以后每过一个周期，数1，2，…，n 。以减少测量周期的误差。

4、 如果用计时器测量周期,参见附录2有关计时器的使用.

5、重力加速度g 的测量 实验方案一:

改变单摆的摆长l ，测量在 5<θ的情况下，连续摆动n 次的时间t,填入表1中。

表1: 改变摆长l ，在 5<θ的情况下，连续摆动20次时间t 的测量结果

(1) 作图法:根据表1的数据,作l --T 2 直线,在直线上取二点A 和B,求直线斜

率

2

12

1x x y y K --=

,由（4）式知

K

g 24π=

，

（7）

根据（7）式求重力加速度g.

(2) 计算法:根据表1的数据,分别计算,

不同摆长的重力加速度g 1, g 2, g 3, g 4, g 5, g 6,然后取平均,再计算不确定度.

实验方案二:

不改变单摆的摆长l ，测量在 5<θ的情况下，连续摆动n 次的时间t 。参考“六 测量举例”处理实验数据。

6 测量同一摆长不同摆角下的周期T ，比较摆角对T 的影响。

五 回 答 问 题

1、设单摆摆角θ接近 0时的周期为0T ，任意摆角θ时周期T ，二周期间的关系近似为

)2

sin 411(20θ

+=T T ，

若在 10=θ条件下测得T 值，将给g 值引入多大的相对误差？

2、有一摆长很长的单摆，不许直接去测量摆长，你设法用测时间的工具测

出摆长？

六 测 量 举 例

用单摆测g

)(0001.01362.1m l ±=，

)(02

.088.106s t ±=，

已知t t l l g g t n l g /2//,/4222∆⨯+∆=∆=π， 结果)/(005.0817.92s m g ±=，

上述结果中的)/(005.02s m 仅为标准偏差，未估计其它的不确定度。

选作部分 单摆的设计性实验

一 实验目的

1、学会用相图法探究单摆的运动行为。

2、改变摆线和摆球,考查阻力对单摆运动行为的影响。 二 实验原理

单摆的线性振动是一种近似，实际上，单摆在振动的过程中，既受到阻力又与摆角有关，在小阻尼条件下，可认为单摆所受到的阻尼力与摆的速度成正比，因此，在单摆的运动方程中加进了阻尼力项后，其动力学方程为：

0sin 22=++θθγθg m dt d l dt

d l m ， （8）

式中，第二项就是单摆受到的阻尼力，γ为阻尼系数，在小阻尼条件下，γ可视为常数，取m

2γ

β=

，β为无量级阻尼系数，由（8）式，得

0sin 202

2=++θωθβθdt d dt

d ， （9） （9）式为一非线性方程。物体运动的非线性行为比较复杂，下面我们讨论（9）

式的几种特殊情况，介绍描述运行行为的相图法。 1、小角度无阻尼单摆运行的相轨图

无阻尼情况下，)0(0==βγ。正弦函数用级数展开为

.......!

7!

5!

3sin 7

5

3

+-

+

-

=θθθθθ ， （10）

在小角度情况下，忽略（10）式的高次项，有θθ=sin ，由（9）式退化到（1）式，并对（1）式进行一次积分，得

E dt d =+2

2022

1)(21θωθ， （11） E 为积分常数，设dt

d θθ

= 为角速度，则有 E 2220

2=+θωθ ， （12） 如果设（12）式中的x=θ为横坐标，y=θ 为纵坐标，（12）式表示的图像如图3所示。把以θ 和θ定义的平面称为相平面（相空间），在相平面中，表示的运动关系图称为相图，由（12）式决定的单摆运动行为的相图，为一椭圆，这种

在相平面上表示运动状态的方法，称为相平面法。相图上每一个点表示了系统在某一时刻的状态，如图3中的摆角与角速度运动状态图，系统的运动状态则用相图上的点的移动来表示，点的运动轨道称为轨线。这种用相空间里的轨线来表示系统运动状态的方法是法国数学家宠加莱（Poincare ）于19世纪末提出的,已成为广泛使用的一种描述系统运动状态的方法。

对于小摆角无阻尼的单摆运动，摆长l 一定时，其椭圆轨线的长短轴不变，当改变摆长l 时，将得到不同的椭圆轨线。

相轨线的测量：选定摆长l ，使摆球作小角度摆动，调节光电门竖直和水平