有关单摆实验教学的探讨

摘要：单摆实验是基本的力学实验，但在实验操作指导中仍有一些误区，影响实验结果。本文在实验的基础上探讨了实验条件，给出了摆长不确定度的估计方法，和累积周期次数要适当、摆角可放宽等结论。

关键词：单摆实验；测量条件；探讨

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2013）29-0131-02

单摆实验是大学物理实验教学的一个重要的力学题目，理论推导得出，由此通过摆动周期的测量来间接测定当地重力加速度以及研究单摆运动的特性。实验原理简单，只需测量摆动周期的时间和单摆的长度即可。但操作起来不容易，操作不当，测量误差大。

关于实验条件的选取仍有探讨的余地，如连续测量周期的个数是否越多越好，摆角是否必须小于，光电门的位置的选取与测量是否无关，一次性测量摆长，其不确定度只有B类的等，本文就实验条件做了相关实验和分析，希望结论能用来指导学生操作，减小实验误差。

一、摆长的测量不确定度

摆长等于悬点到摆球的上顶点的距离加上摆球的半径。实验时用刻度1mm米尺测量悬点到摆球的上顶点的距离。若待测物端点与米尺对齐，则测量值能准确读到毫米，估读到二、累积周期次数的选取

采用累积周期法测量周期，目的是减小系统误差的影响，理论上累积次数加倍，误差也会加倍降低。人们通常认为累积倍数越多越好。为此做了相关实验，来寻找合适的累积次数。

1.周期测量实验

2.实验数据分析

测量1T时间时，重复测量值之间离散较大，精确度较低，原因是挡光针是一个小细棒，有些倾斜，单摆运动时挡光棒经常是在缓慢转动，所以每次挡光的表面位置可能有所不同。但优点是测量快，不到2秒就可出一个数据，能很快发现摆动是否理想，及时调整操作。

30T的测量结果，精度较高，误差较小，但缺点是时间长，一个数据要1分钟，一次起摆最多能重复测量3次，多组数据需要多次起摆，此外振幅衰减明显。

10T的测量结果数据稳定、精度也高，测量速度较快，振幅衰减不明显，测量结果在三种选择中最好。

3.实验结论

累积次数通常选择小于10T。如果计时精度要求低，直接测量一个周期的时间即能满足要求。

三、摆角的控制要求

2.实验分析

随着？兹增加，周期随着增加；与理论值相差越来越大；5？紫摆角的运动与摆角10？紫的周期之间的差别很小，淹没在测量系统的误差内，即10？紫以内的摆动周期的测量值都是一样的。

3.实验结论

实验指导时，可将摆角小于5？紫的实验条件放宽到10？紫以内，不影响实验结果。

四、在操作指导时应注意的两个问题

1.起摆方式

一种方式手持摆球使之偏离平衡位置，然后静止释放，单摆开始往复运动。另一种方式是单摆静止在平衡位置时，轻轻敲击，给予一速度，使单摆开始摆动。实验操作发现第二种方式要比第一种好，因为容易控制，扭摆的可能性要小。

2.光电门的位置

理论上计时瞬间与摆球位置没有关系，但实验操作发现，球摆到一侧最大位置时开始计时，与球运动到另一侧最大位置时开始计时，其测量值有明显的差别，尤其是测量一个周期时。当摆正光电门位置时，结果有明显的改善。因此，光电门要安放在单摆静止时摆球的正下方，挡光针正好挡住光束的位置。

参考文献：

[1]牛爱芹.大学物理实验教程[M].北京：科学出版社，2009.

[2]胡承忠，杨兆华.大学物理实验[M].济南：山东大学出版社，2010.

[3]林抒.龚镇雄.普通物理实验[M].北京：人民教育出版社，1984.