對測量重力加速度實驗裝置的改進

滕德虎

(蕪湖機械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200)

對測量重力加速度實驗裝置的改進

滕德虎

(蕪湖機械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200)

在當(dāng)前自由落體測量重力加速度實驗基礎(chǔ)上，增設(shè)光路指示燈、改造鉛垂線，確保實驗支架鉛垂度. 利用設(shè)計的輸入接口電路、單片機電路、輸出接口電路和電磁鐵控制電路進行取樣、處理和發(fā)送實驗數(shù)據(jù)，提高時間測量精度. 開發(fā)了測量重力加速度實驗專用軟件，實現(xiàn)了自動計算、保存和顯示實驗數(shù)據(jù)，避免手工計算、提高實驗效率. 改進后的自由落體測量重力加速度實驗裝置，簡化了實驗過程、減小了實驗誤差.

重力加速度；自由落體；單片機

自由落體測量重力加速度實驗是中學(xué)物理教學(xué)中的重要實驗，也是大學(xué)普通物理實驗課程中最基本的驗證性實驗，在物理教學(xué)中占有重要地位. 當(dāng)前，該實驗方法是用計時器測量自由下落小球經(jīng)過兩段已知高度的下落時間，計算重力加速度大小.

這種測量方式需要手工記錄測量數(shù)據(jù)并進行復(fù)雜計算，數(shù)據(jù)管理手段簡陋、實驗效率低下. 應(yīng)用信息技術(shù)對自由落體測量重力加速度實驗裝置進行改進，不但可有效避免上述弊端，還降低了實驗誤差.

1 實驗裝置與原理

改進后的實驗裝置主要有支架、鉛垂線、小球、光電門、實驗儀和實驗專用軟件. 其工作原理為：光電門狀態(tài)變化數(shù)據(jù)經(jīng)輸入電路觸發(fā)單片機處理，并將結(jié)果通過輸出電路發(fā)送給計算機的實驗專用軟件，自動完成數(shù)據(jù)的計算、保存和顯示. 數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示.

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 鉛垂線改造與應(yīng)用

鉛垂線采用無伸縮變形的尼龍絲織軟線制作，上端固定于電磁銜鐵中心；中間緊穿3顆可以移動的直徑2 mm球形膠粒(與光電門射光孔直徑相近)，用于調(diào)節(jié)支架鉛垂時阻擋光電門光路；下段連接鉛錘,其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 鉛垂線應(yīng)用示意圖

將鉛垂線上端銜鐵吸附于電磁鐵中心定位槽，下端鉛錘自由懸掛，逐一微移3個橡膠粒高度，使之與對應(yīng)的光電門光路平齊；反復(fù)調(diào)節(jié)支架的支腳螺釘，直至實驗儀上3個對應(yīng)的光電門光路切斷指示燈同時點亮，保證實驗支架絕對鉛垂.

3 實驗儀制作與測量

測試儀為電子裝置，由光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、單片機數(shù)據(jù)處理電路、USB轉(zhuǎn)UART輸出電路和電磁鐵控制電路構(gòu)成，用于測量數(shù)據(jù)的采樣、處理與發(fā)送.

3個光電門與對應(yīng)的三路兩級開關(guān)電路連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)輸入電路. 圖3為上端光電門及相應(yīng)的輸入接口電路圖.

圖3 上端光電門輸入接口電路圖

光路連通時，光電接收管電阻很小，光電門輸出高電平，Q11導(dǎo)通，Q12截止，光路指示燈DS1熄滅，電路輸出高電平. 光路切斷時，光電接收管電阻很大，光電門輸出低電平，Q11截止，Q12導(dǎo)通，光路指示燈DS1點亮，電路輸出低電平. 中間光電門和下端光電門及其接口電路與之相仿.

單片機采用STC89C52芯片，以廠家數(shù)據(jù)手冊推薦的典型電路構(gòu)建最小系統(tǒng),其電路圖如圖4所示.

圖4 單片機電路圖

上、中、下3路輸入接口電路將光路信號分別輸入到單片機3個IO引腳P1.0,P1.1和P1.2，以控制單片機內(nèi)部程序運行. 光路連通時，該3個引腳為高電平. 當(dāng)小球下落至上端光電門時，光路斷開，P1.0引腳被置低電平，內(nèi)部計時器TIMER0開始計時；當(dāng)小球下落至中間光電門時，P1.1引腳被置低電平，程序第1次讀出TIMER0計時值，也就是小球從上端光電門到中間光電門的下落時間；當(dāng)小球下落至下端光電門時，P1.2引腳被置低電平，程序第2次讀出TIMER0計時值，也就是小球從上端光電門到下端光電門的下落時間，同時將2次讀出的時間數(shù)據(jù)通過輸出接口發(fā)送給計算機實驗專用軟件，并復(fù)位單片機內(nèi)部測量數(shù)據(jù)，為下次實驗做好準(zhǔn)備.

輸出接口電路采用CH340G芯片，使用廠家推薦的典型電路，通過USB口實現(xiàn)UART通信，其電路圖如圖5所示.

圖5 CH340G接口電路

電磁鐵電路是獨立的，由微型自鎖開關(guān)和電磁線圈構(gòu)成. 接通開關(guān)，線圈產(chǎn)生磁性，吸住小球；斷開開關(guān)，線圈磁性消失，小球自由下落.

實驗儀采用5 V電源，功率約為1 W，直接由計算機USB口供電. 使用前，將電磁鐵和光電門插頭插入實驗儀對應(yīng)插口，用USB延長線連接實驗儀和計算機，開啟計算機即可開始使用.

4 測量軟件的開發(fā)與應(yīng)用

自由落體重力加速度測量實驗專用軟件由Visual FoxPro開發(fā)，它是無需安裝的綠色小軟件. 其主界面用于測試環(huán)境數(shù)據(jù)輸入和測試結(jié)果顯示，如圖6所示.

圖6 實驗專用軟件主界面

測量時，用戶要事先選擇實驗城市，并輸入小球下落的上端高度和全程高度；小球下落后，單擊 “接收數(shù)據(jù)”按鈕，軟件即可自動收集、計算和保存數(shù)據(jù)，并立即顯示實驗結(jié)果.

為了方便使用，軟件提供了數(shù)據(jù)瀏覽和管理功能，也可以將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel文件，便于分析、打印.

5 改進后的實驗效果

應(yīng)用信息技術(shù)改進自由落體測量重力加速度實驗裝置后，借助光路指示燈來調(diào)節(jié)實驗支架的

鉛垂度，避免肉眼觀察誤差；同時，由光電信號觸發(fā)單片機程序計時，其精度達0.1 ms，有效降低實驗誤差. 應(yīng)用改進后的裝置，在不同城市選擇不同下落高度進行上千次實驗，相同下落高度測量值變化范圍在0.02%以內(nèi)；不同高度測量相對誤差范圍在-0.15%～-0.09%之間. 采用軟件自動收集、計算、保存和顯示實驗數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜運算、提高了工作效率.

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[4] 蘇世棟. 利用單片機改進重力加速度試驗儀[J]. 運城學(xué)院學(xué)報,2006,24(5):27-28.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improving the measurement device of gravity acceleration

TENG De-hu

(Wuhu Mechanical Vocational School, Wuhu 241200, China)

Based on the experiment free falling acceleration, the verticality of the bracket was ensured by adding optical indicators and improving the plumb line. To improve the accuracy of the experiment, input interface circuit, microcontroller circuit, output interface circuit and control circuit of electromagnet were used in sampling, processing and transmitting the experimental data. Measurement software was designed to realize automatic calculation, storage and display of experimental data to improve the experimental efficiency. These improvements on the free fall acceleration device could simplify the experimental process and reduce experimental error.

gravity acceleration； free falling； single chip

2017-03-09

滕德虎(1963-)，男，安徽蕪湖人，芫湖機械工程學(xué)校中學(xué)高級教師，學(xué)士，主要研究方向為信息技術(shù)教育與應(yīng)用.

G633.7

A

1005-4642(2017)06-0058-03