CN110782749B - 重力加速度测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了重力加速度测试仪，包括长方形磁铁、绝缘连通器、稳恒直流电源以及双刀双掷开关，绝缘连通器包括两个对称设置的液体通道，所述液体通道在绝缘连通器的底部连通，液体通道沿竖直方向设置，绝缘连通器的底端的两侧设置电极，长方形磁铁设置在绝缘连通器的下部；液体通道中设置有液体电阻；通过调节稳恒直流电源，改变电流大小或者通过改变磁铁数目改变磁感应强度从而改变连通器两端的液面高度差，高度差就反映了重力差，进行计算即可得到实验当地的重力加速度，双刀双掷开关能切换纯铜片电极的极性，反向镀铜，使液面由左高右低变为左低右高或者由左低右高变为左高右低，采用电流的对称测量法消除热电和热磁副效应，测量结果更准确。

Description

重力加速度测试仪

技术领域

本发明属于物理教学实验装置领域，具体涉及一种重力加速度测试仪。

背景技术

重力加速度(Gravitational acceleration)是物理学中一个十分重要的物理量，它是指一个物体受重力作用的情况下所具有的加速度。也叫自由落体加速度，用g表示，方向竖直向下。由于受地球自转的影响，同一纬度，不同海拔高度地区的重力加速度稍有差异；同一海拔高度、不同纬度地区的重力加速度也不是完全一致的。因此重力加速度的测定对理论、生产和科学研究均具有重要意义。

目前高中物理实验中测量重力加速度常用的方法有单摆法，打点计时器法、斜槽法等。在“用单摆测定重力加速度”的实验中,安装实验装置后，测得单摆的摆长为L，然后让小球在竖直平面内小角度摆动。当小球某次经过最低点时开始计时，在完成N次全振动时停止计时，测得时间为t。单摆的周期为

根据摆长周期

可得

但是单摆实验不可避免的会出现两个问题：摆长的测量中，受摆球质心难以确定的影响，获得准确的摆长值较为困难；测周期时，由于是人工操作秒表开始或停止计时，会出现超前或滞后计时的情况，存在较大的计时误差。在阻力很小的情况下，物体只受重力的作用从静止开始下落的运动，是一种自由落体运动,其加速度即为重力加速度。打点计时器和斜槽法都是利用测出物体下落的位移与时间，则可利用匀变速直线运动的规律求出重力加速度，但是摩擦力、空气阻力会给测量结果带来误差并且操作复杂，数据处理繁杂。

近年来，基于现有的研究方案与成果，结合DIS系统提出一种测量重力加速度的方法，现在市面上有用某仪器公司生产的实验仪器做此实验的，但是摩擦力仍有较大的影响，且不太适合让高中学生来自己动手做，原因是该实验过程太依赖于传感器、计算机这些电子设备，它们就像一个黑匣子，学生即使不太能理解整个实验的原理也能将实验做完，这不利于学生探究高中物理实验的本质，并且用挡光片的平均速度代替瞬时速度也会影响测量的结果。所以目前急需一个仪器来测量重力加速度：它必须操作简单、易实现，且具有创新性，还能够让学生比较容易掌握其中的原理和物理知识。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种重力加速度测试仪，结合高中化学和物理学科相关知识从创新性的非静力学角度出发研制的一款可以简单、直观、准确的测量重力加速度的新型仪器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：电流垂直于外磁场通过液体电阻时，导电液体在电磁场中受到安培力，那么载流子会发生偏转，使溶液整体向受力方向移动，在垂直于电流和磁场的方向产生一附加压强，从而在连通器的两侧产生液面差；当液面差稳定时液体压力和安培力平衡，这时读出左侧刻度为h₁和右侧刻度h₂得到高度差h＝|h₁-h₂|,即产生重力差。重力差G＝mg＝ps＝ρghad与安培力F＝BIa相等时液面差保持稳定，通过这一关系可以定量的计算出当地的重力加速度大小

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)通过调节稳恒直流电源，改变电流大小或者通过改变磁铁数目改变磁感应强度从而改变连通器两端的液面高度差，高度差就反映了重力差，根据公式进行计算即可得到实验当地的重力加速度，双刀双掷开关能切换纯铜片电极的极性，反向镀铜，使液面由左高右低变为左低右高或者由左低右高变为左高右低，采用电流的对称测量法消除各种热电和热磁副效应，测量结果更准确；记录每次产生的高度差，带入计算公式，进行计算，得到当地的重力加速度，测量结果更准确；

(2)本发明是结合初高中化学和物理学科相关知识创新性的从非静力学角度出发研制的一款可以简单、直观、准确测量重力加速度的新型仪器；减小了传统时间、距离测量仪器的测量误差，用结合连通器以及电磁原理使液体电阻在连通器内产生高度差来反映重力，克服了传统仪器中摩擦力的影响；

(3)本发明所涉及的原理简单，涉及知识面广泛，本仪器的原理涉及到初高中电磁学、力学、连通器以及电化学的相关知识，简单明了，符合普通高中生普遍的认识水平，且具有一定的探究性；

(4)本发明利于培养学生的科学素养和创新能力，把创新实验和物理教学有机融合有利于激发学生的学习兴趣，培养学生的发散思维和调动学生的创新热情；然后，可操作性强，易于老师演示以及中学生自己动手操作，经过多次验证，其误差在0.6％左右，大大提高了测量重力加速度的精度，测量结果与公认标准非常的接近；

(5)相比于数字化实验本发明仪器更体现物理思维，学生从实验过程中掌握、运用了物理知识；本仪器对测量手段处理也进行了创新。

进一步的，本发明采用硫酸铜作为液体电阻，同时采用纯铜作为电极，在发生电化学反应时不产生气体，而且结合双刀双掷开关能使两个电极反向镀铜，延长电极使用率，硫酸铜溶液为蓝色，液面变化更明显，观察液面更加清楚。

进一步的，绝缘连通器采用无色亚克力板制作，便于观察液体的变化。

进一步的，液体通道上设置放大透镜，绝缘连通器两侧上部液体通道的间距小于下部液体通道的间距，对比更加明显，有利于清楚而且快速观察液面所在的刻度。

进一步的，绝缘连通器的底部设置有支架和底座，支架设置在底座上方，双刀双掷开关以及稳恒直流电源均设置在底座上；底座采用多孔平台，装置的组件可以实现模块化安装，有利于提高实验平台的使用率，节省成本，而且能进一步提高学生对装置的认识。

附图说明

图1为本发明结构主视示意图。

图2为本发明侧视图。

附图中，1-恒流源电压电流读数显示屏，2-电流粗调旋钮，3-电流微调旋钮，4-电源开关，5-负极接口，6-接地端，7-正极接口，8-导线，9-固定按钮，10-长方形磁铁，11-支架,12-铜片,13-双刀双掷开关，14-硫酸铜溶液，15-绝缘连通器，16-放大透镜，17-木架，19-电压微调旋钮，18-电压粗调旋钮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

以下给出本发明仪器的具体实施详例，需要说明的是本发明仪器并不局限于以下具体实例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

如图1所示，重力加速度测试仪，包括长方形磁铁10、绝缘连通器15、稳恒直流电源1以及双刀双掷开关13，绝缘连通器15包括两个对称设置的液体通道，所述液体通道在绝缘连通器15的下部连通，液体通道上部沿竖直方向设置，液体通道底部水平设置，绝缘连通器15的底部水平段内设置有两个电极，两个电极分别设置所述水平段的顶面和底面；液体通道中设置有液体电阻；绝缘连通器15的下部设置有两块长方形磁铁10，长方形磁铁10的磁场方向垂直于液体通道中液体的流动方，向双刀双掷开关13正接线柱和负接线柱分别通过导线8与稳恒直流电源1正负极连接，绝缘连通器15的两个电极连接双刀双掷开关8的正接线柱和负接线柱。

稳恒直流电源1上设置有电流粗调旋钮2、电流微调旋钮3、电源开关4、负极接口5、接地6以及正极接口7；液体电阻采用硫酸铜溶液，密度为ρ＝1.096g/cm³，电极采用纯度不低于99.9％的纯铜片；绝缘连通器15采用无色亚克力板制作；绝缘连通器15的两侧均设置有刻度，刻度的最小值为1mm。

绝缘连通器的底部设置有支架11和底座，支架11设置在底座上方，双刀双掷开关13以及稳恒直流电源1均设置在底座上。

本发明的底座采用多孔平台采用多孔平台有助于实现多孔平台上进行自由组装，而且还能提高学生的实验兴趣和热情，并且大大提高仪器和实验室平台使用率，降低设备重置率。

本发明所述长方形磁铁10优选采用强磁铁，具体用钕铁硼强磁铁。

用亚克力板制作绝缘连通器15；绝缘连通器15厚度a＝1cm，宽度d＝1cm，长度b＝5cm，绝缘连通器15的两侧等高处标有刻度用来测量两侧的高度差，在绝缘连通器15底部前后方向设置有长方形磁铁10，长方形磁铁的尺寸为43mm×8mm×3mm，提供恒定的磁场环境，绝缘连通器15底部水平段中装有纯度不低于99.9％的铜片作为电极，所述电极装在水平段的顶面和底面，铜片的尺寸43mm×8mm×3mm，绝缘连通器15的底部开设导线孔，铜片上引出两根导线连接双刀双掷开关13，绝缘连通器15的导线孔采用绝缘胶体进行密封，通过切换双刀双掷开关13就能改变铜片12电极的正负极；将稳恒直流电源接在双刀双掷开关另一端，在绝缘连通器15中加入硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液的密度为ρ＝1.096g/cm³，作为液体电阻；整个仪器置于水平面待稳定后，由连通器原理可知，绝缘连通器15两侧液面高度处在同一水平面上，闭合开关接通电源，电流垂直于外磁场通过液体电阻时，导电液体在电磁场中受到安培力，那么载流子会发生偏转，使溶液整体向受力方向移动，在垂直于电流和磁场的方向产生一附加压强，从而在连通器的两侧产生液面差；当液面差稳定时液体压力和安培力平衡，这时读出左侧刻度为h₁和右侧刻度h₂得到高度差h＝|h₁-h₂|,即产生重力差。重力差G＝mg＝ps＝ρghad与安培力F＝BIa相等时液面差保持稳定，通过这一关系可以定量的计算出当地的重力加速度大小

其中，磁感应强度B可以用高斯计精确测量，电流通过稳恒直流电源准确读取，将已知硫酸铜溶液的密度ρ以及连通器的厚度d＝10mm带入公式中，就可以得到重力加速度g与连通器两端液面高度差h的关系。

稳恒直流电源的量程为“30V,5A”；型号为JS305D。

通过调节稳恒直流电源，改变电流大小或者通过改变磁铁数目改变磁感应强度从而改变连通器两端的液面高度差h，将读取的高度差h带入公式

就可以准确的求出重力加速度。

规格为“30V，5A”的稳恒直流源提供稳定的电流输出，随着电流的改变会自动调整匹配的电压，而且最高电压为30V，处于安全电压范围。

绝缘连通器15中加入密度为1.096g/cm3的硫酸铜溶液，作为液体电阻，用铜片12做电极电解硫酸铜溶液，闭合双刀双掷开关13接通稳恒直流电源1，容器内就会发生氧化还原反应，阴极上的铜会被电解，阳极上会有絮状的精铜析出，铜做电极电解硫酸铜溶液方程式为：阴极：Cu²⁺+2e^-＝Cu阳极：Cu-2e^-＝Cu²⁺，电解过程中不会产生气泡，这样就避免了对实验的影响，实验效果也比较明显。

双刀双掷开关13可以切换纯铜片电极的极性，反向镀铜，使液面由左高右低变为左低右高或者由左低右高变为左高右低，采用电流的对称测量法消除各种热电和热磁副效应，测量结果更准确；记录每次产生的高度差，带入公式，进行计算，得到当地的重力加速度，测量结果更准确。

本发明还设置了底座及展示面板，使仪器更加方便观察和测量，而且更加美观。

绝缘连通器15中加入密度为1.096g/cm³的硫酸铜溶液14，作为液体电阻；用铜片12做电极电解硫酸铜溶液，闭合双刀双掷开关13接通稳恒直流电源，绝缘连通器15内就会发生氧化还原反应，阴极上的铜会被电解，阳极上会有絮状的精铜析出，铜做电极电解硫酸铜溶液方程式为：阴极：Cu²⁺+2e^-＝Cu阳极：Cu-2e^-＝Cu²⁺；双刀双掷开关13可以切换纯铜片电极的极性，反向镀铜，使液面由左高右低变为左低右高或者由左低右高变为左高右低，采用电流的对称测量法消除各种热电和热磁副效应，测量结果更准确；记录每次产生的高度差，带入公式，进行计算，得到当地的重力加速度，测量结果更准确。

最后设计了底座及展示面板，使教具尽量美观，方便观察测量。

实验操作步骤如下：

1.将制重力加速度测试仪与底座安装上，保持平稳；

2.在绝缘连通器15内加入密度为1.096g/cm³的硫酸铜溶液14，达到稳定的液面高度；

3.打开双刀双掷开关13，连接电路，在接通开关前稳恒直流源的电流和电压均调零；

4.向某一侧闭合双刀双掷开关10，先转动电压粗调节旋钮19和电流粗调节旋钮2缓慢增大电流电压，先增大电压少许，然后升高电流，当电压不足以提供所需电流时再增大电压少许依次反复调节，，然后调节电压微调节旋钮18和电流微调节旋钮3直到达到所需电流直到绝缘连通器15两侧出现明显的液面高度差；

5.通过透镜放大装置16记录电流值I和产生的高度差h；

6.将双刀双掷开关13合向另一侧，重复步骤4和步骤5，采用电流和磁场的对称测量法进行实验，记录每次产生的高度差和电流值；

7.将已知的B、ρ、d和测量得到的I、h数值带入公式

即可求出重力加速度。

8.最后进行误差分析。

相关参数如下为：重力加速度：g；连通器左右长度：b；连通器前后宽度：d；两铜极板间距离:a；磁感应强度：B；电流：I；液体压强：P；反应区横截面积：S＝ad；

导电液体受到的安培力在液体中产生的附加压强为p，则：

安培力F＝ps＝pad＝ρghad；

又根据安培力公式可得F＝IBa；

联立得重力加速度

Claims (8)

1.重力加速度测试仪，其特征在于，包括长方形磁铁(10)、绝缘连通器(15)、稳恒直流电源(1)以及双刀双掷开关(13)，绝缘连通器(15)包括两个对称设置的液体通道，所述液体通道在绝缘连通器(15)的下部连通，液体通道上部沿竖直方向设置，液体通道底部水平设置，绝缘连通器(15)的底部水平段内设置有两个电极，两个电极分别设置所述水平段的顶面和底面；液体通道中设置有液体电阻；绝缘连通器(15)的下部设置有两块长方形磁铁(10)，长方形磁铁(10)的磁场方向垂直于液体通道中液体的流动方向，双刀双掷开关(13)正接线柱和负接线柱分别通过导线(8)与稳恒直流电源(1)正负极连接，绝缘连通器(15)的两个电极连接双刀双掷开关(13)的正接线柱和负接线柱；硫酸铜溶液(14)作为液体电阻；用铜片(12)做电极电解硫酸铜溶液，闭合双刀双掷开关(13)接通稳恒直流电源，绝缘连通器(15)内发生氧化还原反应，阴极上的铜会被电解，阳极上会有絮状的精铜析出，铜做电极电解硫酸铜溶液方程式为：阴极：Cu²⁺+2e^-＝Cu阳极：Cu-2e^-＝Cu²⁺；双刀双掷开关13切换纯铜片电极的极性，反向镀铜；电流垂直于外磁场通过液体电阻时，导电液体在电磁场中受到安培力，载流子发生偏转，使溶液整体向受力方向移动，在垂直于电流和磁场的方向产生一附加压强，从而在连通器的两侧产生液面差h＝|h₁-h₂|，即产生重力差，重力差G＝mg＝ρghad与安培力F＝BIa相等时液面差保持稳定，则重力加速度大小

ρ为硫酸铜溶液(14)的密度，d为绝缘连通器(15)的厚度，I为电流值，B为磁感应强度，a是两铜极板间的距离，h₁为左侧刻度，h₂为右侧刻度。

2.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，液体电阻采用硫酸铜溶液，密度为ρ＝1.096g/cm³，电极采用纯度不低于99.9％的纯铜片。

3.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，绝缘连通器(15)采用无色亚克力板制作。

4.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，绝缘连通器(15)上部液体通道上均设置有刻度，刻度的最小值为1mm，绝缘连通器(15)的上部设置有放大透镜(16)。

5.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，绝缘连通器(15)两侧上部液体通道的间距小于下部液体通道的间距。

6.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，绝缘连通器的底部设置有支架(11)和底座，支架(11)设置在底座上方，双刀双掷开关(13)以及稳恒直流电源(1)均设置在底座上；底座采用多孔平台。

7.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，稳恒直流电源的量程为“30V，5A”；型号为JS305D。

8.根据权利要求1所述的重力加速度测试仪，其特征在于，两块长方形磁铁(10)通过相互引力紧贴于绝缘连通器底部表面。

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