平均速度近似为瞬时速度造成系统误差的多方法研究——以倾斜气垫导轨法测量重力加速度实验设计为例MULTI-METHOD RESEARCH ON SYSTEM ERROR CAUSED BY AVERAGE SPEED APPROXIMATE TO INSTANTANEOUS SPEED——TAKING THE EXPERIMENTAL DESIGN OF MEASURING GRAVITY ACCELERATION BY INCLINED AIR CUSHION GUIDE RAIL METHOD AS AN EXAMPLE
宋艳敏,王吉昌,王一凡,于永江,马晓光
摘要(Abstract):
匀变速直线运动加速度计算公式应用中,最基本的物理观念是几个物理量之间存在着“一一对应”关系。在倾斜气垫导轨法测量重力加速度实验中,滑块运动的瞬时速度无法准确测量,只能用平均速度代替,造成了公式应用中要求的物理量之间的“一一对应”关系被破坏,产生了无法克服的系统误差。本文设计了匀加速和匀减速直线运动两种实验情境,分别用控制变量法、数学解析法和图像法等多种方法研究了不同实验情境的系统误差,将系统误差分析与物理观念构建建立了联系,分析了挡光片宽度d、加速情境滑块静止释放时离第一个光电门的距离L、减速情境滑块静止时离第二个光电门距离M、两光电门间距S和气垫导轨倾角θ等参量对该系统误差的影响,研究表明:d、S、L或W参量对该系统误差都有影响;d值的大小是造成该系统误差的主要因素;θ参量无影响;应用公式(1)计算重力加速度值更精确。
关键词(KeyWords): 物理观念;平均速度;瞬时速度;系统误差
基金项目(Foundation): 鲁东大学教学成果培育项目(2023CG16;2023CG01)
作者(Author): 宋艳敏,王吉昌,王一凡,于永江,马晓光
参考文献(References):
- [1] HU J G,CHEN X,WANG L Y,et al.Systematic error suppression scheme of the weak equivalence principle test by dual atom interferometers in space based on spectral correlation[J].Chinese Physics B,2020,29(11):230-235.
- [2] 朱栋,徐晗,周寅,等.基于扩展卡尔曼滤波算法的船载绝对重力测量数据处理[J].物理学报,2022,71(13):159-167.ZHU D,XU H,ZHOU Y,et al.Data processing of shipborne absolute gravity measurement based on extended Kalman filter algorithm[J].Acta Phys.Sin.2022,71(13):159-167.(in Chinese)
- [3] 朱明宇,陈艺欣,陈敏,等.密立根油滴实验中温度因素的影响:理论考量与实验校准[J].物理与工程.2023,33(1):128-133.ZHU M Y,CHEN Y X.CHEN M,et al.Influence of temperature in the oil-drop experiment:theoretical consideration and experimental corection[J].Physics and Engineering,2023,33(1):128-133.(in Chinese)
- [4] 杨述武,孙迎春,沈国土.普通物理实验(1) [M].北京:高等教育出版社,2015.
- [5] 千承辉,陈长松.基于平衡法的重力加速度测量装置[J].仪表技术与传感器,2014,10:19-21,27.QIAN C H,CHEN C S.Design of gravitational acceleration measuring device based on balance method[J].Instrument Technique and Sensor,2014,10:19-21,27.(in Chinese)
- [6] 赵佳乐,张嘉禾,于永江.气垫导轨测量重力加速度实验系统误差分析[J].物理与工程,2022,32(3):105-109.ZHAO J L,ZHANG J H,YU Y J.Analysis of the systematic errors on measurement of gravity acceleration by air track [J].Physics and Engineering,2021,32(36):105-109.(in Chinese)
- [7] 吴泳华,霍剑青,浦其荣.面向21世纪课程教材大学物理实验第1册[M].北京:高等教育出版社,2005.