(2)剛体振子 −重力加速度の測定−

 

実験目的

 ケーターの振り子は3ヶの“おもり”が移動できるように作られていて、『回転半径』を変えることができる。振り子を逆さにつるしたときも、周期が変化しないとき、その周期と支店間の距離から重力加速度を求めることを目的とする。

 

実験方法

(1)mが可動範囲のほぼ中央にあることを確かめて、Mを下側(正方向)にしてつるす。この時、ナイフエッジを破損しないように注意して取り扱う。

 また、振り子を取り外したときは、必ず「縦方向」にしながら持ち運ぶ。

(2)mを目盛り90�pの位置に固定し、100回周期を1/10秒以上の精度で測定する。

(3)mを10�p下げて、(2)と同様に測定する。

   以下、順次10�pづつ、下まで測定をする。

(4)次に、振り子を注意しながら取り外し、Mが上(逆方向)になるようにつるし、(1)(2)(3)の要領で測定する。

(5)(2)〜(4)の結果をもとにグラフを描く。正方向と逆方向の曲線の交点をグラフからもとめ、この位置にmを固定する。

(6)mを固定したならば、mの微動ねじを使って、5�oごとに100回周期を測定し、(5)の要領で正方向・逆方向の一致する周期を求める。

(7)(6)のグラフから、正逆周期が一致する位置に固定し、10往復毎の時間を210回まで連続して測定する。(この間、ストップウオッチを止めない。)計時は1/10秒以上の精度で測定する。

 

 

 

 

 

 

 

実験結果と課題

 (a)測定結果

正方向

逆方向

mの位置[cm]

100回周期の時間

mの位置[cm]

100回周期の時間

10

3分20秒67

90

3分20秒05

20

3分22秒03

80

3分19秒84

30

3分19秒66

70

3分19秒89

40

3分19秒30

60

3分19秒26

50

3分19秒37

50

3分18秒87

60

未測定

40

3分19秒00

70

3分19秒97

30

3分19秒47

80

3分22秒42

20

3分20秒23

90

未測定

10

3分21秒47

  ・測定結果をもとに、横軸にmの位置,縦軸に時間をとった場合の関係のグラフを

   描く。(別紙参照)

  ・グラフより、交点を読みとると正方向・逆方向ともに、

m=22cm

   というmの距離が求められる。

   この距離は正方向・逆方向ともに、同じ時間であるはずである。

  ・ここで、m=22cmの値を用いて正方向・逆方向の時間を測定して確かめをする。

正方向‥‥3分19秒92

逆方向‥‥3分20秒13

   差は100分の18秒であり、ほぼ一致していることが確かめられる。

 

課題(1)

 図2のような剛体振子の周期はsinθ≒θと近似して、

を回転軸として、

を回転軸として、

 となることを運動方程式から導く。

 また、のとき、を導く。

 

 図2のように、質量Mの剛体を重心Gからはずれた鉛直線Oで支え、自由振り子として振動させる。とすると、の鉛直線に対する変位角がθのとき、重心Gにかかる重力は軸Oのまわりにのモーメントを作り、θを減らすように働く。

 この回転の運動方程式はすべての摩擦抵抗が無視できるほどに小さいとすれば、以下のように表すことができる。

 ここで、とする。

‥‥(1)

 とすると、(1)式は角振動数の単振動の一般式である、

 と、同じ形をした式であることから、その周期Tは、

 となる。

 また、Iは平行軸の定理により重心Gを通って、O軸に平行な線に関する慣性モーメントIGと以下のように関係づけする事ができる。

 従って周期は、

と表される。

 またを回転軸として、がと対応するので、

 ここで、とするとき、

‥‥(2) となる。

 一方、重心を通り、ナイフエッジに平行な回転軸についての慣性モーメントをIGとすると、の関係がある。

 従って、

‥‥(3) となる。

 (2),(3)式より、

 が得られる。

 これらの式から、

 を導くことができる。

 

(b)正逆方向の周期と課題(1)で導かれたの関連を考えて、重力加速度を計算して文献値と比較考察をする。但し、とする。

 ・時間が正逆方向ともに同じ場合の200回の10回毎の時間

往復回数

時間�@

往復回数

時間�A

�A−�@ (100回周期)

10

1分19秒05

110

3分40秒12

201.07秒

20

1分39秒19

120

4分00秒25

201.06秒

30

1分59秒35

130

4分20秒44

201.09秒

40

1分19秒41

140

4分40秒50

201.09秒

50

1分39秒54

150

5分00秒69

201.15秒

60

1分59秒60

160

5分20秒79

201.19秒

70

2分19秒69

170

5分40秒88

201.19秒

80

2分39秒88

180

6分00秒91

201.03秒

90

3分00秒00

190

6分21秒03

201.03秒

100

3分20秒08

200

6分41秒12

201.04秒

110

3分40秒12

210

未測定

 
     

100回周期平均

201.094秒

     

Tの平均

2.01094

 

 のときの周期の式は課題(1)より、

 今回の実験で正逆方向の周期が一致した長さ‥‥m=22cm

           100回周期平均時間‥‥3分21秒094

            100回周期の平均‥‥2.01094

 上記の値を、周期の式に代入して計算する。

 

 文献値 旭川市春光台 海抜150m‥‥g=9.8055[m/s2]

 文献値と実験値との比較を誤差率を用いて考察すると、

 となる。

 参考として、各地の重力加速度をあげると、

地  名

緯度

経度

高さ [m]

重力加速度 [m/s2]

札 幌

43o 4.3´

141o20.7´

15

9.8047757

青 森

40o39.2´

140o46.3´

3.45

9.8031106

東 京

35o38.6´

139o41.3´

28

9.7976319

パ リ

48o49.8´

2o13.2´

65.9

9.8092597

ローマ

41o54.2´

12o30.8´

45.0

9.8034923

ワシントン

38o53.6´

77o 2.0´

0.2

9.8010429

昭和基地(南極)

69o 0.3´

39o35.4´

14

9.825256

 

考察

・ケーター振り子で重力加速度を測定すると、なぜより正確な値を得ることができるか。

  ケーター振り子は、安定した振り子運動ができるし、原理的に慣性モーメントIを

 知ることなしに重力加速度gを得ることができるためだと考える。

 

・周期の測定誤差の影響を検討する。

 周期の真値をT,周期の測定誤差をΔT,とすると、

 重力加速度は、

 と、表すことができ、上式を展開すると、

 となり、は微小であるためとして、

‥‥�@

 また、理論式より、

‥‥�A

 �@,�A式を比較すると、

 比較された式によると、ΔTの誤差が生じた場合に重力加速度を計算すると、真の周期の値に比べ、約8倍ぐらいの誤差が生じることがわかる。

 

感想

 今回、始めての実験ということもあって不慣れな点が多く、実験時間が非常にかかってしまった。次回からはもっとてきぱきと実験をしようと思う。

 今回の実験で、各地の重力加速度を調べてみて、同じgでも微妙に差があることがわかった。もし、チョモランマとかの高山で重力加速度を測定するとどのような結果が得られるのだろうか。