Описание установки и метода измерения
Большинство косвенных методов измерения ускорения свободного падения g основано на использовании формулы для периода гармонических колебаний физического маятника
, (1)
где J - момент инерции маятника относительно оси качания (точки подвеса), m - масса маятника, a - расстояние от центра массы до оси качания (см. рис. 1). Однако формула (1) непосредственно для вычисления g не используется, так как момент инерции J и расстояние a обычно не могут быть измерены достаточно точно. Поэтому применяются такие методы, которые позволяют исключить данные величины из расчетной формулы для вычисления g. В данной работе это достигается путем использования физического маятника в форме длинного стержня. Маятник представляет собой однородный стержень (рис. 1) с опорной призмой П, которую можно перемещать вдоль стержня и закреплять в любом его месте. Для определения положения призмы на стержне нанесена шкала с делениями через 1 см. Период колебаний маятника, который выражается формулой (1), можно записать в виде , (2)
где называется приведенной длиной физического маятника. Момент инерции стержня относительно оси качания запишем по теореме Штейнера: , (3)
где J 0 момент инерции стержня относительно оси, проходящей через центр массы C (середину стержня) параллельно оси качания. Для стержня .
Для любого тела момент инерции J 0 можно представить в виде
. (4)
Величина a 0 называется радиусом инерции и имеет определенное значение для каждого тела. Для стержня
Используя формулы (3) и (4), получим выражение для приведенной длины ,
и периода колебаний .
Таким образом, приведенная длина и, следовательно, период колебаний маятника являются функциями расстояния от центра массы до оси качания. Из этих формул видно, что L и T стремятся к бесконечности при двух значениях a: при a ®0 и при a ®¥. Для определения значений при которых период является экстремальным, найдем производную d L /d a и приравняем ее к нулю:
,
откуда a = ± a 0.Значит, T = T min, если опорная призма закреплена на расстоянии a 0» l/3 от середины стержня. Второе расстояние a = a 0 означает, что если перевернуть стержень, то для точек подвеса, симметричных относительно середины, периоды колебаний будут одинаковы. Из графика (риc. 2) видно, что при увеличении или уменьшении расстояния a по сравнению с a 0 период колебания увеличивается. Поэтому одно и то же значение периода, большее чем T min, маятник может иметь при двух положениях опорной призмы: при и . Для этих положений опорной призмы будут одинаковы и приведенные длины маятника, что следует, из формулы (2):
,
откуда . Тогда (5)
Приведенная длина (рис. 2) L = MN + MK. Очевидно, что другому периоду колебаний будет соответствовать другая приведенная длина. После подстановки (5) в (2) получим
,
откуда . (6)
Формула (6) является расчетной для вычисления ускорения свободного падения. Значения и T определяют по экспериментально построенному графику. Для этого опорную призму перемещают вдоль стержня и для каждого ее положения измеряют период колебаний. При проведении опыта и построении графика вместо расстояния a удобнее брать расстояние от конца стержня до призмы, которое на рис. 1 обозначено х.
|