基于荧光技术的科里奥利力定量验证实验

1、基于荧光技术的科里奥利力定量验证实验摘 要：本实验基于荧光技术设计了一套采用质点模型验证科里奥利力的简易装置。实验结果表 明，该装置可以清晰地演示科里奥利力，并能够定量的进行验证，误差很小。在物理实验教学方面，使对 科氏力的研究不仅仅局限于理论证明，具有较高的教学价值。关 键 词：科里奥利力；定量测量;质点模型科氏力是一种在非惯性系中才存在的等效 力”。它是牵连转动和相对运动相互影响的结 果。在大学物理学习过程中，科里奥利力是在牛 顿质点动力学章节引入的，与加速平动参考系中 的惯性力相比，由转动和相对运动共同作用而产 生的科里奥利力要复杂抽象得多，往往很难理解。 从理论上证明科里奥利力的存在并

2、不困难，但定 量验证科里奥利力是大学物理实验中一个重要的 问题。现存的科里奥利力验证方法主要有基于傅 科摆原理的改进演示仪，也有基于流体的科里奥 利力实验装置，还有借助电磁模块的科里奥利力 检测装置宜，然而这些装置仅对科氏力产生的 现象进行了说明，并没有准确的数据对科氏力进 行定量的验证。本实验自主设计的实验装置运用荧光技术， 将测试物体质点化，可以定量演示科里奥利力且 实验装置结构精简、物理原理清晰。经实验验证， 该装置能以较小的误差定量演示科里奥利力，对 物理实验教学具有重要的意义。1实验总体设计方案本实验自主设计了一套定量演示科里奥利力 的实验装置如图1所示。图1装置结构图本装置主要由气

3、垫导轨，带激光发射器的物 块，可控制转速的转盘，荧光纸构成。由带有刻度 标尺气垫导轨（3）和固定激光发射器（5）的滑块 （4）构成了速度可调节的质点，在转速可控的转 盘（6）上固定画有方格刻度的荧光纸构成了定量 可测的旋转坐标系。首先把带有方格刻度的荧光 纸用吸铁石固定在金属转盘上，通过控制面板 （7）设定转盘转速，使转盘开始旋转。转盘系统 主要由通过单片机控制脉冲频率来控制电机的转 速，使转盘能够按照设定的速度匀速转动。其中 气垫导轨位于转盘正下方，放置的位置使得滑块 在运动时，激光发射器发出的光线会经过转盘中 心。设置好气垫导轨，打开滑块上的紫外线发射 器，推动滑块，当固定在滑块上的挡板及

4、挡板架 （9）通过光电门套件（8）时,光电门内部会产生脉 冲信号，可以通过计时面板（10 ）读取滑块滑过光 电门之间的时间，再计算得到滑块运动速度 $ 滑块上方的紫外光发射器发出的紫外光线会激发荧光纸上的荧光，相对于地面坐标系，光点做匀速 直线运动，而相对于转盘坐标系光点会受到非惯 性力作用。非惯性力包括了离心力和科氏力。因 此，在转盘坐标系中，光点的运动轨迹会发生偏 转。可以利用荧光纸上的荧光捕捉质点在转盘坐 标系中的运动轨迹，再利用运动轨迹来验证科氏 力的大小。实验流程图如图2所示图2实验流程图本实验运用气源（1）输气管（2）以及带有刻 度标尺的气垫导轨能减小摩擦力对滑块运动的影 响。使用

5、的光电门套件不仅搭建十分方便而且能 够准确测量滑块的运动速度。运用激光发射器与 荧光纸相配合，能够准确的反应科氏力对运动轨 迹的影响，便于观察与测量。根据力学规律6刁进行物体的受力分析及公 式推导，受力分析图如图3所示6=-$sin% - $2rcos%( 2)63=2$ $ccs% - $2 rsin%(3)B =(4)3=:%63 d5(5)其中K为科里奥利力，$为圆盘的角速度,6,与63分别为，轴和3轴方向的加速度,为质点相对于地面的速度为瞬时切向线速度。由该公式可以得出在一定激光器速度和转盘 角速度下的荧光纸上轨迹的理论位置（该实验中 任意选取了 5点），然后根据方格坐标中指示的 轨迹

6、线，来验证科氏力的公式。此过程可以改变 滑块运动速度和转盘旋转速度进行多次实验 验证。2实验数据及结论此次实验以转盘转速$ = 15 rad/min、激光发 射器即质点速度 =66 cm/s为例，根据自编程软 件设定滑块速度和转盘速度，计算五点的位置并 标记在荧光纸上。如图4所示：图4 =66 cm/s时荧光纸上的轨迹图3科里奥利力分析图Fn图3科里奥利力分析图Fn = 2m (- 2) X $331误差0161601.469.289. 010. 270.862. 663. 21-0.55-1.72-3.38-3.710. 33-6.11-8.41-8.630. 22表1 =66 cm/s平均绝对误差为0.054 cm与受力分析图建立相同的坐标系，以转盘中 心为坐标轴原点。其中B为选取的横坐标值，3$ 为理论计算所得的纵坐标值,3为实际测量所得 纵坐标数值。建立表1如下所示,将理论值与测 量值进行对比。从表中可以看出，理论值与实