CN107369363A - 一种重力加速度测量方法及装置 - Google Patents

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王秀霞
徐兴磊
张冠芬
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Abstract

一种重力加速度测量方法及装置，测试方法计算公式为，其中，测试装置包括底座、立柱、线夹、钢尺、指示镜、刻度盘、机械手、传感器、电子控制器本体、摆线、摆球、显示器、控制器和键盘。本发明操作步骤简便，智能性强，精度高，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然。

Description

一种重力加速度测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种重力加速度测量技术，特别涉及一种重力加速度测量方法及装置。
背景技术
目前大学物理实验中单摆测定重力加速度的传统测量方法一般采用机械秒表手动计时，人工计数，由于人的反应能力有限，易产生计时和计数误差；而且手动释放小球容易形成圆锥摆，对测量结果造成较大影响；再加上它是运用简谐振动原理的一种近似的测量方法，测量精度受小球摆动的次数、单摆的摆长、摆角和是否形成圆锥摆等多种因素的影响。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种简单易行、结果准确的重力加速度测量方法及装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种重力加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用钢尺测量出摆线的长度，利用游标卡尺测量出摆球直径；
步骤2，利用刻度盘设定摆角为3°，利用机械手抓取固定摆球；
步骤3，利用键盘输入摆长和摆动次数，按下确定键，机械手释放摆球；
步骤4，控制器内置定时器自动计时，传感器进行感应结合计数模块记录摆动次数，显示器显示时间和次数，当次数达到设定值时，定时器停止计时，计数器停止计数；
步骤5，控制器利用公式进行计算重力加速度并显示在显示器上；
步骤6，设置不同摆长和摆动次数，重复步骤1-步骤5，多次测量重力加速度。
本发明的重力加速度测量方法，所述计算公式为，其中。
本发明的重力加速度测量方法，所述，。
本发明的重力加速度测量方法，所述，，测量的随机误差为；，，，测量的随机误差为。
利用单摆测重力加速度的方法是简谐运动测试方式。测出摆长（包括多次测量的小球半径），和小球摆动次的时间，求出次摆动的平均周期，利用公式计算出重力加速度，再多次测量计算出平均值。此公式是近似公式，小球振动的实际周期应该为，忽略二阶以上小项后，重力加速度的表达式为，，忽略展开式中的四阶高次项，角引起的绝对误差为，相对误差为：只有角引入的误差小于其它项误差的1/3才可以忽略。
再者摆长和时间周期的测量也会形成测量误差,由误差合成原理可得由和引起的测量重力加速度的相对误差为，我们使用一级钢尺误差为，设测量的随机误差为，均方根法得出由摆长引起的合成误差为，自制实验装置计时最小分辨力为1ms，即，测量的随机误差为，均方根法得出由时间引起的合成误差为，由(为小球摆动的次数，为小球摆动的周期)得，因为与理论值相差很微小，所以示值相对误差为
总绝对误差为，实际值为。
实现重力加速度测量方法的测量装置，包括中间安装有立柱的底座，立柱顶端安装有线夹，线夹下端设置有摆线，摆线另一端连接有摆球，立柱中间位置设置有指示镜，指示镜下端安装有刻度盘，刻度盘下端设置有传感器，传感器一端连接有机械手，机械手另一端连接有控制器本体，线夹用来固定摆线，可以对摆线长度进行调节，指示镜用来度量读数的准确性，读数时镜面上的影子和指针重合时即表明没偏左或偏右，此时指针下面即为当前读数，可以减小读数误差，刻度盘用来设定角度范围，机械手用来固定摆球。
本发明的重力加速度测量装置，所述线夹前端设置有钢尺，钢尺用来测量摆线的长度。
本发明的重力加速度测量装置，所述控制器本体顶端设置有显示器，显示器下端设置有控制器，控制器底端设置有键盘。
本发明的重力加速度测量装置，所述控制器内部设置有单片机，单片机的P1端口连接有键盘，单片机P2.4端口连接有机械手，单片机P2.5端口连接有传感器，单片机P0和P2.0-P2.3端口连接有显示器。
本发明的重力加速度测量装置，所述单片机为8位AT89C51单片机，显示器为1602液晶显示器，传感器为红外传感器，键盘为4*4键盘。
系统的主控芯片采用8位AT89C51单片机，AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可支持降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电时保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
4×4键盘连接单片机的P1口，用来输入摆球的摆动次数和摆长以及是否开始实验操作，当按下键盘上的“确认”键后，连接在单片机P2.4口上的机器手释放摆球，当连接在P2.5口上的传感器检测到摆球经过时单片机中的计数器开始计数、定时器自动计时，并在连接在P0口和P2.0~P2.3口上的1602液晶显示器实时显示摆动次数和摆动用时。
特别的通过键盘来实现摆球摆动次数、摆长的设置，实现传感器和继电器的初始化等功能。首先系统要进行键盘扫描来确定是否有按键按下，为了保证按键信号的可靠与稳定，系统要在第一次检测到按键信号后延时5ms~10ms以去除干扰信号，然后再进行扫描，如这时发现有键按下时就要进行按键识别，并通过跳转指令去执行相应的功能程序。
下面简单介绍一下键盘部分功能键的作用：
（1）在没有进行参数设置的情况下，按“n设置”键便可实现单摆摆动次数的设定，按“l设置”键可实现摆长的设定。
（2）按“.”键可输入小数点。
（3）按“删除”键可实现对输入数据的删除。
（4）按“确定”键可以完成对单摆参数的设置，并进入对传感器和继电器的初始化程序中。
本发明的重力加速度测量装置，所述单片机中设置有计时模块和计数模块。
本发明的有益效果是：
本发明操作步骤简便，智能性强，精度高，误差较小并且性能稳定，数据显示一目了然。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为本发明测量装置结构示意图；
图2为本发明测量装置电路组成原理图。
图中，1底座；2立柱；3线夹；4钢尺；5指示镜；6刻度盘；7机械手；8传感器；9电子控制器本体；10摆线；11摆球；12显示器；13控制器；14键盘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，一种重力加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用钢尺测量出摆线的长度，利用游标卡尺测量出摆球直径；
步骤2，利用刻度盘设定摆角为3°，利用机械手抓取固定摆球；
步骤3，利用键盘输入摆长和摆动次数，按下确定键，机械手释放摆球；
步骤4，计时模块定时器自动计时，传感器进行感应结合计数模块记录摆动次数，显示器显示时间和次数，当次数达到设定值时，定时器停止计时，计数器停止计数；
步骤5，控制器利用公式进行计算重力加速度并显示在显示器上；
步骤6，设置不同摆长和摆动次数，重复步骤1-步骤5，多次测量重力加速度。
计算公式为，其中，，，，，测量的随机误差为；，，，测量的随机误差为。
一种实现重力加速度测量方法的测量装置，包括中间安装有立柱2的底座1，立柱2顶端安装有线夹3，线夹3下端设置有摆线10，摆线10另一端连接有摆球11，立柱2中间位置设置有指示镜5，指示镜5下端安装有刻度盘6，刻度盘6下端设置有传感器8，传感器8一端连接有机械手7，机械手7另一端连接有控制器本体9，线夹3前端设置有钢尺4，控制器本体9顶端设置有显示器12，显示器12下端设置有控制器13，控制器13底端设置有键盘14，控制器13内部设置有单片机，单片机的P1端口连接有键盘14，单片机P2.4端口连接有机械手7，单片机P2.5端口连接有传感器8，单片机P0和P2.0-P2.3端口连接有显示器12，单片机为8位AT89C51单片机，显示器12为1602液晶显示器，传感器8为红外传感器，键盘14为4*4键盘，单片机中设置有计时模块和计数模块。
以上对本发明的具体实施进行了详细描述，但是只是作为一个范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施案例，对本发明进行的等同修改也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种重力加速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用钢尺测量出摆线的长度，利用游标卡尺测量出摆球直径；
步骤2，利用刻度盘设定摆角为3°，利用机械手抓取固定摆球；
步骤3，利用键盘输入摆长和摆动次数，按下确定键，机械手释放摆球；
步骤4，计时模块定时器自动计时，传感器进行感应同时结合计数模块记录摆动次数，显示器显示时间和次数，当次数达到设定值时，定时器停止计时，计数器停止计数；
步骤5，控制器利用公式进行计算重力加速度并显示在显示器上；
步骤6，设置不同摆长和摆动次数，重复步骤1-步骤5，多次测量重力加速度。
2.如权利要求1所述的一种重力加速度测量方法，其特征在于：计算公式为，其中。
3.如权利要求2所述的一种重力加速度测量方法，其特征在于：，。
4.如权利要求3所述的一种重力加速度测量方法，其特征在于：，，测量的随机误差为；，，，测量的随机误差为。
5.实现权1所述测量方法的测量装置，包括中间安装有立柱（2）的底座（1），其特征在于：立柱（2）顶端安装有线夹（3），线夹（3）下端设置有摆线（10），摆线（10）另一端连接有摆球（11），立柱（2）中间位置设置有指示镜（5），指示镜（5）下端安装有刻度盘（6），刻度盘（6）下端设置有传感器（8），传感器（8）一端连接有机械手（7），机械手（7）另一端连接有控制器本体（9）。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于：线夹（3）前端设置有钢尺（4）。
7.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于：控制器本体（9）顶端设置有显示器（12），显示器（12）下端设置有控制器（13），控制器（13）底端设置有键盘（14）。
8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于：控制器（13）内部设置有单片机，单片机的P1端口连接有键盘（14），单片机P2.4端口连接有机械手（7），单片机P2.5端口连接有传感器（8），单片机P0和P2.0-P2.3端口连接有显示器（12）。
9.如权利要求8所述的测量装置，其特征在于：单片机为8位AT89C51单片机，显示器（12）为1602液晶显示器，传感器（8）为红外传感器，键盘（14）为4*4键盘。
10.如权利要求9所述的测量装置，其特征在于：单片机中设置有计时模块和计数模块。
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