基本信息
- 項目名稱：
- 焦利氏秤測重力加速度的設計與分析
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 我們利用焦利氏秤完成了對重力加速度的測量，并與復擺測g的實驗過程進行了比較。分別從儀器的精密程度、操作過程中隨機誤差的大小，數(shù)據(jù)處理畫圖的簡易程度和實驗結果的精度展開論述，對比得出利用焦利氏秤測量g過程更加簡單，數(shù)據(jù)更為準確。由于焦利氏秤本質是彈簧秤，故基于以上原理，我們可以利用彈簧很容易的得到較為準確的重力加速度值，由于不同地區(qū)的重力加速度有一定差異性，故根據(jù)不同測量值可以獲得所處的大概位置。
- 詳細介紹：
- 目前的物理學教程一般根據(jù)剛體轉動慣量的原理并利用復擺共軛性測量重力加速度g。其原理較為復雜，對于初學者很難領悟。復擺由于其設計原理導致其精度有一定局限性。擺桿上鉆了圓孔，雖然有刻度，但由于其孔為圓形，讀數(shù)誤差會較大。實驗初期很難精準地做到利用復擺上的微調螺母調節(jié)重心，易造成誤差。在實驗過程中復擺很容易發(fā)生扭轉，對于周期的測定有很大的影響。為此，我們想到利用更為簡單的胡克定律為基本原理，設計了用焦利氏秤來測量重力加速度g的實驗，并對兩種方法進行分析比較。經過實驗過程和實驗數(shù)據(jù)的比較，得出利用焦利氏秤測量g的實驗方法更簡單，結果精確度更高，具有一定的優(yōu)越性。 從兩次實驗的實驗數(shù)據(jù)可以得出利用焦利氏秤測量重力加速度值更加精確，比用復擺測量提高3.8%。 焦利氏秤是因為其本質是彈簧秤，由于其設計精巧，可以直觀的讀出彈簧的長度，且其較為精密，使用簡單，故我們選用該儀器可以方便測出得到重力加速度值。 從上述實驗過程我們可以很容易得出：任意一個彈簧，其勁度系數(shù)及自由伸長時的長度確定，若所懸掛重物的質量已知，如果能夠測出彈簧的伸長量就可以很容易的計算出重力加速度值。進一步分析，若懸掛重物不變，就可以根據(jù)彈簧的伸長量的不同得到不同的重力加速度值。 地球既不是個球形的，也不是個扁形的，而是近梨形的，就是由南半球膨漲，北半球收縮 。在故不同地區(qū)的重力加速度不同，故我們可以假設，在實驗精度保證的情況下，我們完全可以根據(jù)所測量的重力加速度得到當?shù)氐慕浘暥然蚝０胃叨取；谝陨显恚覀兛梢栽O計一個裝置，核心部分為豎直懸有重物的彈簧，與焦利氏秤類似。由于焦利氏秤較為笨重，我們將彈簧的伸長測量方法改為其他方法，借助放大器或者光學透鏡等原理，將彈簧長度轉化為其他容易顯示的量，制成芯片，就能夠很容易的得到較為準確的重力加速度值，根據(jù)不同重力加速度值可以獲得所處的大概位置。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：我們設想在精度足夠高的情況下，可以由重力加速度值得出所處的大致位置。我們進行測量重力加速度實驗，驗證用焦利氏秤測重力加速度比復擺的實驗過程和測量結果具有更高優(yōu)越性。為設想提供理論依據(jù)。 基本思路：分別用焦利氏秤和復擺測量重力加速度，對實驗結果的誤差大小進行比較，得出結論。
科學性、先進性及獨特之處
- 焦利氏秤是因為其本質是彈簧秤，由于其設計精巧，可以直觀的讀出彈簧的長度，且其較為精密，使用簡單，故我們選用該儀器可以方便測出得到重力加速度值。從上述實驗過程我們可以很容易得出：任意一個彈簧，其勁度系數(shù)及自由伸長時的長度確定，若所懸掛重物的質量已知，如果能夠測出彈簧的伸長量就可以根據(jù)公式很容易的計算出重力加速度值。進一步分析，若懸掛重物不變，就可以根據(jù)彈簧的伸長量的不同得到不同的重力加速度值。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 地球是近梨形的，南半球膨漲，北半球收縮 。故不同地區(qū)的重力加速度不同。我們假設在實驗精度保證的情況下，可以根據(jù)所測量的重力加速度得到當?shù)氐慕浘暥然蚝０胃叨?。基于以上原理，可以設計一個裝置，核心部分類似于焦利氏秤為豎直懸有重物的彈簧。由于焦利氏秤較為笨重，我們可借助放大器或者光學透鏡等原理，將彈簧長度轉化為其他容易顯示的量，就能夠很容易的得到較為準確的重力加速度值，可以獲得所處的大概位置。
學術論文摘要
- 目前的物理學教程一般根據(jù)剛體轉動慣量的原理并利用復擺共軛性測量重力加速度g。其原理較為復雜且易導致誤差：擺桿上鉆了圓孔，雖然有刻度，但由于其孔為圓形，讀數(shù)誤差會較大。實驗初期很難精準地做到利用復擺上的微調螺母調節(jié)重心，易造成誤差。在實驗過程中復擺很容易發(fā)生扭轉，對于周期的測定有很大的影響，導致實驗精度下降。為此，我們想到利用更為簡單的胡克定律為基本原理，設計了用焦利氏秤來測量重力加速度g的實驗，分別從儀器的精密程度、操作過程中隨機誤差的大小，數(shù)據(jù)處理畫圖的簡易程度和實驗結果的精度展開論述，對比得出利用焦利氏秤測量重力加速度過程更加簡單，數(shù)據(jù)更為準確，值得進行更深入的研究。進一步分析，又很容易得出：任意一個彈簧，其勁度系數(shù)及自由伸長時的長度確定，若所懸掛重物的質量一定，如果能夠測出彈簧的伸長量，就可以根據(jù)公式很容易的計算出重力加速度值。由于不同地區(qū)重力加速度值不同，理論上可以由重力加速度值得到大致位置。
獲獎情況
- 作品《焦利氏秤測重力加速度的設計與分析》于2011年5月榮獲山西大學第十五屆“創(chuàng)新挑戰(zhàn)杯”學生課外學術科技作品競賽自然科學類學術論文一等獎
鑒定結果
- 作品《焦利氏秤測重力加速度的設計與分析》于2011年5月榮獲山西大學第十五屆“創(chuàng)新挑戰(zhàn)杯”學生課外學術科技作品競賽自然科學類學術論文一等獎
參考文獻
- [1] 董有爾.大學物理實驗[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2006 . [2] 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程：力學[M].北京：高等教育出版社，2004. [3] 謝行恕,康世秀,霍劍青.大學物理實驗:第二冊[M].北京：高等教育出版社，2004. [4] 吳泳華,霍劍青,浦其榮.大學物理實驗:第一冊[M].北京：高等教育出版社，2004. [5] 李鈺，李云寶.大學物理實驗教程[M].北京：科學出版社，2009. [6] 呂斯驊，段家忯.基礎物理實驗[M].北京：北京大學出版社，2002. [7] 徐建強.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2006. [8] 吳振森，武穎麗，胡榮旭等.綜合設計性物理實驗[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007. [9] 張志東，魏懷鵬，展永.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2007. [10] 袁長坤.物理量測量[M].北京:科學出版社，2004.
同類課題研究水平概述
- 地球的重力場是重力勢的梯度，可以通過重力測量、天文大地測量和觀測人造地球衛(wèi)星軌道的擾動來求得。由于重力均衡作用，重力場可以反映地幔以及地殼、地幔邊界的起伏狀況，稱之為地殼均衡。地殼均衡既不是一種力，也不是一個過程，它是地殼各部分之間建立一種平衡狀態(tài)的普遍趨勢。從科學的角度講，地球重力場及其隨時間的變化信息對于地球動力學和地球內部物理的研究具有重要意義，在大地測量學中，地球重力場信息可以用于研究地球的大小和形狀，并且為測量數(shù)據(jù)的歸算提供支持。 在地球上生存的人類，每時每刻都受到地球重力場的作用。雨、雪、霜、自然成熟的植物果實等，都會由于重力的作用而降落到地面上。在微重力環(huán)境下，植物的培育、生長和在正常的重力條件下不同，科學家們正在就這個課題進行深入研究。地球重力場數(shù)據(jù)還可以推算地震引起的震中和相關區(qū)域的水平和垂直位移，為抗震減災工作提供支持。測量地球重力，可以通過直接或者間接方法進行，分別被稱為絕對重力測量和相對重力測量。 早期的絕對重力測量儀為數(shù)學擺和物理擺。數(shù)學擺是一種理想的擺，它是以一質點系在無質量而且長度不變的線的一端，線的另一端固定在一個絕對不動的點上，施加外力使其離開平衡位置后，它會純粹因重力的作用而不斷地擺動。物理擺是繞水平軸自由擺動的剛體。其中的可倒擺測定重力的精度能夠達到毫伽級。 以美國FG一5絕對重力儀和國產NIM-2為代表的現(xiàn)代絕對重力儀多利用自由落體和邁克爾遜激光干涉原理測定重力值。目前，中、美、俄、意研制的絕對重力儀都達到了微伽級的水平。1997年度諾貝爾物理學獎金得主朱棣文教授等設計制作的原子干涉儀，也可以進行絕對重力測量，該干涉儀1999年測定重力的精度和FG-5相當。 不過，絕對重力儀盡管測量精度高，但價格昂貴，移動不便，多數(shù)只能在科學研究中應用。相對重力儀器雖然精度較低，但移動和運輸方便、成本低，在生產實踐中應用更廣泛。 相對重力測量采用的主要有石英和金屬彈簧重力儀器。相對重力測量儀器的核心部件為彈性優(yōu)良的金屬或者石英彈簧，以彈簧的伸縮變化測定重力的變化。 相對重力儀中的彈簧存在彈性疲勞現(xiàn)象，因而重力儀會產生“零點漂移”，即在重力不變的情況下，重力儀的讀數(shù)隨時間而變化?！傲泓c漂移”對重力儀的測量精度會有影響，通常只能在觀測中加以修正，而不能完全消除。
