重力加速度的測(cè)量技術(shù)

1、重力加速度的測(cè)量技術(shù)2014.11主要內(nèi)容v測(cè)量四大要素v被測(cè)量的相關(guān)介紹v測(cè)量方法v思考問題v測(cè)量的四大要素 被測(cè)量：重力加速度g 計(jì)量單位：m/s2 測(cè)量方法：?jiǎn)螖[法，重力儀 測(cè)量精度：據(jù)方法而定v測(cè)量量相關(guān)介紹重力加速度g：一個(gè)反映地球引力強(qiáng)弱的地球物理常數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)定它，無論在理論上，還是在科研和生產(chǎn)等方面都有極其重大的意義。地球上各個(gè)地區(qū)的重力加速度隨該地的緯度緯度和海拔高度海拔高度的不同而不同。一般說來，在赤道附近g值最小，緯度越高，越靠近南北兩極，則g值越大，在地球表面附近g的最大值與最小值相差僅約1/300。此外，重力加速度還隨該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的不同而不同，因而g對(duì)于地質(zhì)勘探等具有

2、很重要的意義。1.地球重力加速度是垂直于大地水準(zhǔn)面的，在海平面上g隨緯度變化的公式（1967年國(guó)際重力公式）為：g=978.03185（1+0.005278895sin+0.000023462sin）厘米/秒。2.在高度為H的重力加速度g（1930年國(guó)際重力公式）為：g =978.049（1+0.005288sin-0.000006sin2- 0.0003086H）厘米/秒，式中H為以千米為單位的數(shù)值。v測(cè)量量相關(guān)介紹重力加速度標(biāo)準(zhǔn)量：米每二次方秒：當(dāng)物體以1m/s的加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)， 每秒鐘速度改變1m/s。長(zhǎng)度：米（m）時(shí)間：秒（s）v測(cè)量量相關(guān)介紹 標(biāo)準(zhǔn)器： 1.單擺法：電子秒表，米尺，游標(biāo)

3、卡尺。2.重力儀：讀數(shù)刻盤，分劃板，氦氖激光束的波長(zhǎng)， 時(shí)間測(cè)定（原子頻率指標(biāo)）：銣鐘、銫鐘、氫鐘。 氫鐘：現(xiàn)代的許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)部門廣泛使用一種精密的時(shí)鐘， 穩(wěn)定程度相當(dāng)高，每天變化只有十億分之一秒，精度可達(dá)每100萬年誤差1秒。 上海天文臺(tái)上海天文臺(tái)是國(guó)內(nèi)唯一能夠產(chǎn)品化生產(chǎn)氫原子鐘的單位。v測(cè)量量相關(guān)介紹 原理：使用能級(jí)躍遷理論來測(cè)定時(shí)間：原子是按照圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。當(dāng)原子從一個(gè)高“能量態(tài)”躍遷至低的“能量態(tài)”時(shí)，它便會(huì)釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是固定的，這也就是人們所說的共振頻率。通過以這種共振頻率為節(jié)拍器，原子鐘可以來測(cè)定時(shí)間。例如：假

4、定特定原子的共振頻率為1000Hz，則該原子能級(jí)躍遷時(shí)釋放的電磁波振動(dòng)1000次的時(shí)間即為1秒。氫原子鐘現(xiàn)代氫原子鐘v單擺法原理sin5。mgmgsin簡(jiǎn)單示意圖 當(dāng)擺角很小時(shí)（滿足 ）2222mamgdmlmgdtdgdtl 切按牛頓第二定律，運(yùn)動(dòng)方程：簡(jiǎn)單諧振方程，2/g l2224gTllgTv單擺法單擺實(shí)驗(yàn)儀、電子秒表、米尺、游標(biāo)卡尺【實(shí)驗(yàn)儀器】v單擺法影響測(cè)量精度的因素： 一是系統(tǒng)誤差，主要是看單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件是否符合，如振動(dòng)時(shí)要使之保持在同一個(gè)豎直平面內(nèi)而不要形成圓錐擺，擺動(dòng)時(shí)控制擺先偏離豎直方向不超過5。，否則單擺周期公式就不再成立； 二是實(shí)驗(yàn)中影響結(jié)果的空氣摩擦，人的反應(yīng)時(shí)

5、間精度誤差在1%以內(nèi)。 三是游標(biāo)卡尺精度0.02mm（50分度），米尺精度1mm，電子秒表精度0.1s。v重力儀 測(cè)定重力加速度的儀器，更準(zhǔn)確的稱呼應(yīng)為重力加速度儀。 絕對(duì)重力儀（動(dòng)力法）：測(cè)定一點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度值。 相對(duì)重力儀（靜力法）：測(cè)定兩點(diǎn)的絕對(duì)重力加速度差。v絕對(duì)重力儀簡(jiǎn)單原理：利用自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在固定或移動(dòng)點(diǎn)上測(cè)量時(shí)有單程下落和上拋下落兩種行程，自由落體為一光學(xué)棱鏡，利用穩(wěn)定的氦氖激光束的波長(zhǎng)作為邁克爾遜（michelson）干涉儀的光學(xué)尺，直接測(cè)量空間距離；時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是采用高穩(wěn)定的石英振蕩器與天文臺(tái)原子頻率指標(biāo)對(duì)比。v絕對(duì)重力儀激光器干涉條紋顯示器v絕對(duì)重力儀22218gS

6、TT式中，式中，T2=t4t1，T1=t3t2，S=hChBt t4 4t t3 3t t2 2t t1 1A AAAB BBBC CCCD Dh hB Bh hC C圖中圖中C和和C 、B和和B 、A和和A 在空間都是一點(diǎn)。在空間都是一點(diǎn)。上拋下落雙程觀測(cè)上拋下落雙程觀測(cè)v相對(duì)重力儀01102202121()()()/ ()mgk S Smgk SSmgk SSgggk mSScS 按物體受力變化而產(chǎn)生位移方式的不同，可分為平移式系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)。（日常生活中使用的彈簧秤從原理上說就是一種平移式重力儀。）gc平移式系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)ZSM-V型石英彈簧重力儀器v相對(duì)重力儀主要構(gòu)造：彈性系統(tǒng)、

7、光學(xué)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)彈性系統(tǒng)：儀器的心臟，感覺重力變化的部分。測(cè)量系統(tǒng)：測(cè)讀機(jī)構(gòu)，由讀數(shù)彈簧、測(cè)微螺絲和測(cè)微器組成。光學(xué)系統(tǒng)：由一些光學(xué)元件，照明裝置和帶有刻度的分劃板等構(gòu)成，是用來觀查秤桿的平衡位置的。gc彈性系統(tǒng)當(dāng)測(cè)點(diǎn)處重力值高于基點(diǎn)重力值時(shí)，具有重荷的擺桿將向下傾；當(dāng)測(cè)點(diǎn)處重力值低于基點(diǎn)重力值時(shí)，擺桿則向上傾；擺桿向上或向下擺動(dòng)距離的大小是隨測(cè)點(diǎn)間重力變化而變化的。重荷1、擺桿2，水平扭絲3，主彈簧4及溫度補(bǔ)償裝置(5、8)、讀數(shù)彈簧6、讀數(shù)彈簧連桿7、讀數(shù)框架扭絲9、測(cè)程彈簧10、指示絲11v重力儀 影響重力儀精度的因素：（1）溫度影響 （2）氣壓影響 （3）電磁力影響溫度變化會(huì)使重力儀

8、各部件熱脹冷縮，使各著力點(diǎn)間的相對(duì)位置發(fā)生變化；彈簧的彈力系數(shù)也是溫度的函數(shù)。v重力儀影響重力儀精度的因素：（1）溫度影響 （2）氣壓影響 （3）電磁力影響主要是使空氣密度改變而使平衡體所受的浮力改變，并在儀器內(nèi)部可能形成微弱的氣體流動(dòng)沖擊彈性系統(tǒng)。v重力儀影響重力儀精度的因素：（1）溫度影響 （2）氣壓影響 （3）電磁力影響用石英材料制成的擺桿（平衡體），因質(zhì)量很小無須夾固，當(dāng)它在自由擺動(dòng)時(shí)，會(huì)與容器中殘存的空氣分子相摩擦而產(chǎn)生靜電，電荷的不斷累積會(huì) 使儀器讀數(shù)發(fā)生變化。v重力儀美國(guó)GWR超導(dǎo)重力儀是目前世界上最靈敏的重力儀，其測(cè)量精度可達(dá)0.01微伽。在國(guó)際單位制中，也用伽作單位，1gal

9、(伽)=1cm/s2加拿大LRS公司的Micro-G生產(chǎn)的高精度井中重力儀是世界上唯一投入工業(yè)應(yīng)用的井中重力儀。該儀器測(cè)井不受油井鐵套管影響，測(cè)量精度為0.04毫伽。v思考問題 1. 單擺法中，線和金屬球的選擇有什么要求？ 2. 根據(jù)影響重力儀精度的因素，可以采取哪些消除影響的措施？ v思考問題 1.單擺法中線和金屬球的選擇有什么要求？線：應(yīng)選擇細(xì)輕又不易伸長(zhǎng)的線， 長(zhǎng)度一般在1m左右。小球：應(yīng)選用密度較大的金屬球， 直徑應(yīng)較小，最好不超過2cm。v思考問題2 影響重力儀精度的因素及消除影響的措施？（1）溫度影響： 措施：研制與選用受溫度變化影響小的材料作儀器的彈性元件；附加自動(dòng)溫度補(bǔ)償裝置；采用電熱恒溫（有的儀器 加雙層恒溫），野外使用儀器時(shí)，應(yīng)極力避免陽光直接照射的儀器上，搬運(yùn)中應(yīng)設(shè)計(jì)通風(fēng)性能好的專用外包裝箱等。 （2）氣壓影響： 措施：將彈性系統(tǒng)置于高真空的封閉容器內(nèi)；在與平衡體相反方向上（相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸而言）加一個(gè)等體積矩的氣壓補(bǔ)償器。 （3）電磁力影響： 措施：平衡體附近放一適量放射性物質(zhì)，使殘存氣體游離而導(dǎo)走電荷；對(duì)于用金屬制成的彈性元件