對(duì)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

滕德虎

(蕪湖機(jī)械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200)

對(duì)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

滕德虎

(蕪湖機(jī)械工程學(xué)校，安徽 蕪湖 241200)

在當(dāng)前自由落體測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增設(shè)光路指示燈、改造鉛垂線，確保實(shí)驗(yàn)支架鉛垂度. 利用設(shè)計(jì)的輸入接口電路、單片機(jī)電路、輸出接口電路和電磁鐵控制電路進(jìn)行取樣、處理和發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高時(shí)間測(cè)量精度. 開(kāi)發(fā)了測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)專用軟件，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)計(jì)算、保存和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免手工計(jì)算、提高實(shí)驗(yàn)效率. 改進(jìn)后的自由落體測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程、減小了實(shí)驗(yàn)誤差.

重力加速度；自由落體；單片機(jī)

自由落體測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)，也是大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)課程中最基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在物理教學(xué)中占有重要地位. 當(dāng)前，該實(shí)驗(yàn)方法是用計(jì)時(shí)器測(cè)量自由下落小球經(jīng)過(guò)兩段已知高度的下落時(shí)間，計(jì)算重力加速度大小.

這種測(cè)量方式需要手工記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，數(shù)據(jù)管理手段簡(jiǎn)陋、實(shí)驗(yàn)效率低下. 應(yīng)用信息技術(shù)對(duì)自由落體測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，不但可有效避免上述弊端，還降低了實(shí)驗(yàn)誤差.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置主要有支架、鉛垂線、小球、光電門、實(shí)驗(yàn)儀和實(shí)驗(yàn)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(jī)處理，并將結(jié)果通過(guò)輸出電路發(fā)送給計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)專用軟件，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的計(jì)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(wú)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(dòng)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(shí)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(gè)橡膠粒高度，使之與對(duì)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(shí)驗(yàn)儀上3個(gè)對(duì)應(yīng)的光電門光路切斷指示燈同時(shí)點(diǎn)亮，保證實(shí)驗(yàn)支架絕對(duì)鉛垂.

3 實(shí)驗(yàn)儀制作與測(cè)量

測(cè)試儀為電子裝置，由光電門數(shù)據(jù)輸入接口電路、單片機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù)的采樣、處理與發(fā)送.

3個(gè)光電門與對(duì)應(yīng)的三路兩級(jí)開(kāi)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(shí)，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(shí)，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(diǎn)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(jī)采用STC89C52芯片，以廠家數(shù)據(jù)手冊(cè)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(jī)電路圖

上、中、下3路輸入接口電路將光路信號(hào)分別輸入到單片機(jī)3個(gè)IO引腳P1.0,P1.1和P1.2，以控制單片機(jī)內(nèi)部程序運(yùn)行. 光路連通時(shí)，該3個(gè)引腳為高電平. 當(dāng)小球下落至上端光電門時(shí)，光路斷開(kāi)，P1.0引腳被置低電平，內(nèi)部計(jì)時(shí)器TIMER0開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)小球下落至中間光電門時(shí)，P1.1引腳被置低電平，程序第1次讀出TIMER0計(jì)時(shí)值，也就是小球從上端光電門到中間光電門的下落時(shí)間；當(dāng)小球下落至下端光電門時(shí)，P1.2引腳被置低電平，程序第2次讀出TIMER0計(jì)時(shí)值，也就是小球從上端光電門到下端光電門的下落時(shí)間，同時(shí)將2次讀出的時(shí)間數(shù)據(jù)通過(guò)輸出接口發(fā)送給計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)專用軟件，并復(fù)位單片機(jī)內(nèi)部測(cè)量數(shù)據(jù)，為下次實(shí)驗(yàn)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(guò)USB口實(shí)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(dú)立的，由微型自鎖開(kāi)關(guān)和電磁線圈構(gòu)成. 接通開(kāi)關(guān)，線圈產(chǎn)生磁性，吸住小球；斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，線圈磁性消失，小球自由下落.

實(shí)驗(yàn)儀采用5 V電源，功率約為1 W，直接由計(jì)算機(jī)USB口供電. 使用前，將電磁鐵和光電門插頭插入實(shí)驗(yàn)儀對(duì)應(yīng)插口，用USB延長(zhǎng)線連接實(shí)驗(yàn)儀和計(jì)算機(jī)，開(kāi)啟計(jì)算機(jī)即可開(kāi)始使用.

4 測(cè)量軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

自由落體重力加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)專用軟件由Visual FoxPro開(kāi)發(fā)，它是無(wú)需安裝的綠色小軟件. 其主界面用于測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試結(jié)果顯示，如圖6所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)專用軟件主界面

測(cè)量時(shí)，用戶要事先選擇實(shí)驗(yàn)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(dòng)收集、計(jì)算和保存數(shù)據(jù)，并立即顯示實(shí)驗(yàn)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(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel文件，便于分析、打印.

5 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果

應(yīng)用信息技術(shù)改進(jìn)自由落體測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)裝置后，借助光路指示燈來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)支架的

鉛垂度，避免肉眼觀察誤差；同時(shí)，由光電信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)程序計(jì)時(shí)，其精度達(dá)0.1 ms，有效降低實(shí)驗(yàn)誤差. 應(yīng)用改進(jìn)后的裝置，在不同城市選擇不同下落高度進(jìn)行上千次實(shí)驗(yàn)，相同下落高度測(cè)量值變化范圍在0.02%以內(nèi)；不同高度測(cè)量相對(duì)誤差范圍在-0.15%～-0.09%之間. 采用軟件自動(dòng)收集、計(jì)算、保存和顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，避免了復(fù)雜運(yùn)算、提高了工作效率.

[1] 全秀娥,葉伏秋,米賢武. 自由落體測(cè)量重力加速度的儀器改進(jìn)[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007,5(1):126-128.

[2] 杜方炳,楊紅梅,夏湘芳. 重力加速度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與制作[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2007，27(11):26-27.

[3] 車立新,白春雨,劉曉萍. 重力加速度測(cè)量方法的比較與研究[J]. 白城師范學(xué)院學(xué)報(bào),2007，21(6):31-34.

[4] 蘇世棟. 利用單片機(jī)改進(jìn)重力加速度試驗(yàn)儀[J]. 運(yùn)城學(xué)院學(xué)報(bào),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(jī)械工程學(xué)校中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)教育與應(yīng)用.

G633.7

A

1005-4642(2017)06-0058-03