本發(fā)明涉及一種利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，已有的利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的方法中一種是高度差法，使用在旋轉(zhuǎn)圓筒側(cè)壁上的坐標(biāo)紙對(duì)出旋轉(zhuǎn)液體的高度差，從而計(jì)算重力加速度。但是該種方法由于旋轉(zhuǎn)液體的液面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差容易受到儀器偏心、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)和坐標(biāo)紙精度低等因素導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。第二種方法時(shí)激光平行轉(zhuǎn)軸入射法，該種方法通過激光在液面不變的位置入射，測(cè)量反射點(diǎn)與入射點(diǎn)距離從而計(jì)算出夾角，通過多次實(shí)驗(yàn)得出光線夾角與旋轉(zhuǎn)周期T的平方的倒數(shù)的曲線，得出曲線斜率帶入公式即可得到重力加速度數(shù)值。該種方法由于儀器偏心等原因?qū)е乱好娓叨炔蛔凕c(diǎn)位置隨圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，而且測(cè)量過程繁瑣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上技術(shù)上的不足，本發(fā)明提供了一種操作簡便，測(cè)量準(zhǔn)確的利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的裝置及方法。

本發(fā)明是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的一種利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的裝置，包括固定底座，所述固定底座一端上方設(shè)置有可軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)頂部設(shè)置有可跟隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形的圓筒，所述圓筒頂部開有筒口，固定底座另一端上方豎直設(shè)置有立桿，所述立桿上設(shè)置有水平懸臂，所述水平懸臂末端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有測(cè)量臂，所述測(cè)量臂末端平行設(shè)置有位于圓筒的筒口上方并可向圓筒內(nèi)照射的激光器，水平懸臂上設(shè)置有用于檢測(cè)測(cè)量臂與水平懸臂之間夾角的角度測(cè)量器，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置。

上述圓筒內(nèi)底部中心豎直設(shè)置有細(xì)長標(biāo)桿。

上述水平懸臂和固定底座上均設(shè)置有氣泡水平儀。

上述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的頂部設(shè)置有圓形的卡槽，所述卡槽底部為水平臺(tái)面，圓筒底部卡在卡槽內(nèi)。

上述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)連接有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接有電機(jī)控制器。

本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1，向半徑為R的圓柱形的圓筒內(nèi)注入水，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)帶動(dòng)圓筒軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T；

步驟2，待液面穩(wěn)定后，激光器分別照射液面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，測(cè)量并記錄下激光器照射液面的最高點(diǎn)時(shí)激光點(diǎn)和液面最高點(diǎn)夾角θ₂，以及激光器照射液面的最低點(diǎn)時(shí)激光點(diǎn)和液面最低點(diǎn)夾角θ₁；

步驟3，計(jì)算水面最低點(diǎn)距離激光器高度h₁，以及水面最高點(diǎn)距離激光器高度h₂，計(jì)算公式為：h₁＝Rtanθ₁，h₂＝2Rtanθ₂；液面最高處與最低處的高度差為Δh＝h₁-h₂，利用公式計(jì)算出重力加速度g。

步驟2中，判斷最低點(diǎn)時(shí)，在圓筒內(nèi)底部中心豎直設(shè)置細(xì)長標(biāo)桿，細(xì)長標(biāo)桿與水面交接的點(diǎn)即為最低點(diǎn)。

在步驟2中，采用安裝在水平懸臂上的角度測(cè)量器測(cè)量夾角θ₁和夾角θ₂。

本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，將原來通過坐標(biāo)紙測(cè)量距離改為通過精度高的顯數(shù)角度規(guī)測(cè)量角度，避免了人眼誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。同時(shí)測(cè)量角度的方法使得實(shí)驗(yàn)操作更為簡單方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：1固定底座，2立桿，3水平懸臂，4氣泡水平儀，5角度測(cè)量器，6測(cè)量臂，7激光器，8圓筒，9卡槽，10旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，11細(xì)長標(biāo)桿，12轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，13電機(jī)控制器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的一種利用旋轉(zhuǎn)液體測(cè)量重力加速度的裝置，包括固定底座1，固定底座1一端上方設(shè)置有可軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10驅(qū)動(dòng)連接有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)連接有電機(jī)控制器13。電機(jī)控制器13實(shí)時(shí)控制旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和時(shí)間。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10頂部設(shè)置有可跟隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形的圓筒8。為了方便將圓筒8固定，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10的頂部設(shè)置圓形的卡槽9，卡槽9底部為水平臺(tái)面，圓筒8底部卡在卡槽9內(nèi)。

圓筒8頂部開有筒口，固定底座1另一端上方豎直設(shè)置有立桿2，立桿2上設(shè)置有水平懸臂3，水平懸臂3末端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有測(cè)量臂6，測(cè)量臂6末端平行設(shè)置有位于圓筒8的筒口上方并可向圓筒8內(nèi)照射的激光器7，水平懸臂3上設(shè)置有用于檢測(cè)測(cè)量臂6與水平懸臂3之間夾角的角度測(cè)量器5，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10上設(shè)置有轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置12。水平懸臂3和固定底座1上均設(shè)置有氣泡水平儀4，通過氣泡水平儀4可以將水平懸臂3和固定底座1調(diào)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使其保持水平。圓筒8內(nèi)底部中心豎直設(shè)置有細(xì)長標(biāo)桿11。在尋找最低點(diǎn)時(shí)，通過人眼觀察導(dǎo)致的主觀誤差較大，所以在圓筒8中心固定一根細(xì)長標(biāo)桿11，細(xì)長標(biāo)桿11與水面的交界處即為我們尋找的最低點(diǎn)。

本發(fā)明的測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟1，向半徑為R的圓柱形的圓筒8內(nèi)注入水，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)10帶動(dòng)圓筒8軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T；

步驟2，待液面穩(wěn)定后，激光器7分別照射液面的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，測(cè)量并記錄下激光器7照射液面的最高點(diǎn)時(shí)激光點(diǎn)和液面最高點(diǎn)夾角θ₂，以及激光器7照射液面的最低點(diǎn)時(shí)激光點(diǎn)和液面最低點(diǎn)夾角θ₁；判斷最低點(diǎn)時(shí)，在圓筒8內(nèi)底部中心豎直設(shè)置細(xì)長標(biāo)桿11，細(xì)長標(biāo)桿11與水面交接的點(diǎn)即為最低點(diǎn)；采用安裝在水平懸臂3上的角度測(cè)量器5測(cè)量夾角θ₁和夾角θ₂。

步驟3，計(jì)算水面最低點(diǎn)距離激光器7高度h₁，以及水面最高點(diǎn)距離激光器7高度h₂，計(jì)算公式為：h₁＝Rtanθ₁，h₂＝2Rtanθ₂；液面最高處與最低處的高度差為Δh＝h₁-h₂，利用公式計(jì)算出重力加速度g。

公式的推導(dǎo)過程如下：

由圓周受力分析公式Ncosθ＝mg，Nsinθ＝mxω²； (1.1)

得出公式：

在最低點(diǎn)時(shí)：x＝0

在最高點(diǎn)時(shí)：x＝R；最高處與最低處液面的高度差為Δh，那么點(diǎn)(R，y₀+Δh)就落在了液面形成拋物線上，即：

其中：D＝2R； (1.6)

最終得到公式：將各個(gè)參數(shù)帶入公式就可以計(jì)算出重力加速度g。

以上所述僅是本專利的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本專利技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本專利的保護(hù)范圍。