(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90p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10p下げて、(2)と同様に測定する。

   以下、順次10p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、5o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

32067

90

32005

20

32203

80

31984

30

31966

70

31989

40

31930

60

31926

50

31937

50

31887

60

未測定

40

31900

70

31997

30

31947

80

32242

20

32023

90

未測定

10

32147

  ・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‥‥31992

逆方向‥‥32013

   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、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ければ、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、同じ形の式であることから、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I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、に対応するので、

 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I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

11905

110

34012

 

20

13919

120

40025

 

30

15935

130

42044

 

40

11941

140

44050

 

50

13954

150

50069

 

60

15960

160

52079

 

70

21969

170

54088

 

80

23988

180

60091

 

90

30000

190

62103

 

100

32008

200

64112

 

110

34012

210

未測定