CN111105681A - 一种测量重力加速度的教学仪器 - Google Patents

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刘冬冬
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Abstract

一种测量重力加速度的教学仪器，盒子一固定安装在底座上，其顶板上设置有圆孔A，圆孔A中安装有光电门；支撑板水平地固定安装在支撑柱的一侧，且开设有圆孔B；盒子二固定安装在支撑板的上端，且盒子二底板在对应圆孔B的位置开设有用于通过钢珠的圆孔C；容纳管对应圆孔B地竖直地穿设在盒子二中，其下开口端靠近盒子二底板地设置，其上开口端延伸到盒子二顶板的上方；驱动电机一固定安装在盒子二中，且位于容纳管的一侧，驱动电机一的输出轴上固定连接有水平的挡板一；驱动电机二安装在支撑板的下部，且位于圆孔B的一侧，驱动电机二的输出轴上固定连接有水平的挡板二。本发明结构简单，制造成本低，操作方便，能有效提高计算结果的准确性。

Description

一种测量重力加速度的教学仪器
技术领域
本发明属于教学仪器技术领域，具体涉及一种测量重力加速度的教学仪器。
背景技术
重力加速度测量是中学物理课程中的的重要内容，在现有的教学实验中，通用的测量重力加速度的方法有两种：一种是通过重物牵拉纸带在气垫导轨上快速移动，通过打点计时器记录相同时间间隔所对应的位移，通过读取纸带上相应的位移数值，再通过相应的计算公式算得重力加速度，但是此种方式存在着物体运动之间的摩擦，不是完全的自由落体运动，因而不可避免地带来测量过程中的误差，同时还存在数据读取的误差，使得计算结果误差较大；另一种是通过单摆实验仪器进行测量，通过测量摆场的长度、摆球的直径，并通过人眼观察一定时间内摆动的次数，利用秒表记录对应的时间，人眼观察不仅存在视觉误差，而且还容易记错摆动的次数，同时，摆球的松放和秒表的计时分别通过双手来操作，手部的抖动以及双手的不同步，都会造成记录数据的不准确，因而通过相关公式推算出来的重力加速度误差亦较大。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种测量重力加速度的教学仪器，该仪器能准确地对重力加速度进行测量，其操作过程方便，能有效降低测量过程中的误差。
本发明提供一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座、竖直地固定连接在底座上端一侧的支撑柱、盒子一、支撑板、盒子二、容纳管、驱动电机一、驱动电机二、显示器、按键和控制器；
所述盒子一位于支撑柱的一侧，并固定安装在底座上，盒子一的顶板上设置有用于通过钢珠的圆孔A，所述圆孔A中安装有光电门；
所述支撑板水平地固定安装在支撑柱的一侧，且在对应圆孔A的位置开设有用于通过钢珠的圆孔B；
所述盒子二固定安装在支撑板的上端，且盒子二底板在对应圆孔B的位置开设有用于通过钢珠的圆孔C；
所述容纳管对应圆孔B地竖直地穿设在盒子二中，其下开口端靠近盒子二底板地设置，其上开口端延伸到盒子二顶板的上方；
所述驱动电机一固定安装在盒子二中，且位于容纳管的一侧，驱动电机一的输出轴上固定连接有水平的挡板一；所述挡板一的自由端在驱动电机一的往复驱动过程中与容纳管的下开口端滑动配合，以打开或关闭容纳管的下开口端；
所述驱动电机二固定安装在支撑板的下部，且位于圆孔B的一侧，驱动电机二的输出轴上固定连接有水平的挡板二；所述挡板二的自由端在驱动电机二的往复驱动过程中与盒子二的下端面滑动配合，以打开或关闭圆孔C；挡板二与挡板一之间的距离与一个钢珠的尺寸相适配；
所述驱动电机一、驱动电机二、光电门、显示器、按键均与控制器连接。
作为一种优选，所述驱动电机一和驱动电机二均为步进电机。
作为一种优选，所述控制器为STM32系列单片机。
本发明中，通过控制器控制驱动电机一动作，能驱动挡板一往复摆动一次，能实现对容纳管下开口端的先打开后关闭操作，从而能使位于容纳管中的一个钢珠掉落并进入圆孔B中。通过控制器控制驱动电机二动作，能驱动挡板二往复摆动一次，能实现对圆孔C的先打开后关闭操作，从而能使位于圆孔B中的钢珠脱离盒体二。脱离盒体二的钢珠做自由落体运动，并通过圆孔A进入盒体一，在经过圆孔A时，光电门实时捕捉钢珠通过的电信号，并发送给控制器。控制器在驱动电机二动作的同时可以利用内部的时钟进行计时，并在接收到光电门发出电信号后结束计时，可以实现计时时间精确到毫秒级，进而可以根据挡板二动作的时间和光电门发出电信号的时间来进行加速度的计算。显示器可以便于显示计时的开始时间和结束时间，并能显示加速度的计算结果。该教学仪器通过驱动电机驱动挡板来实现钢珠的释放，与传统的方式相比，没有初速度不确定的问题。同时，实验过程中不需要人为进行记录，避免了人为因素对测量结果的影响，也减少了因错误记录而导致重新开始实验的情况发生。
本发明结构简单，制造成本低，操作方便，易于推广，整个实验由控制器进行控制，能有效解决传统的实验操作和计算过程过于繁琐而导致的占用教学时间过多的问题，并极大的提升了实验结果的准确性，增加了学生实验的趣味性，也提升了教学的效果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中控制器、显示器和按键的装配示意图。
图中：1、底座，2、盒子一，3、光电门，4、支撑柱，5、盒子二，6、挡板一，7、管道，8、驱动电机一，9、驱动电机二，10、钢珠，11、控制器，12、显示器，13、按键，14、支撑板，15、挡板二，16、圆孔A，17、圆孔B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座1、竖直地固定连接在底座1上端一侧的支撑柱4、盒子一2、支撑板14、盒子二5、容纳管7、驱动电机一8、驱动电机二9、显示器12、按键13和控制器11；
所述盒子一2位于支撑柱4的一侧，并固定安装在底座1上，盒子一2的顶板上设置有用于通过钢珠10的圆孔A16，所述圆孔A16中安装有光电门3；
所述支撑板14水平地固定安装在支撑柱4的一侧，且在对应圆孔A16的位置开设有用于通过钢珠10的圆孔B17；
所述盒子二5固定安装在支撑板14的上端，且盒子二5底板在对应圆孔B17的位置开设有用于通过钢珠10的圆孔C；
所述容纳管7对应圆孔B17地竖直地穿设在盒子二5中，其下开口端靠近盒子二5底板地设置，其上开口端延伸到盒子二5顶板的上方；
所述驱动电机一8固定安装在盒子二5中，且位于容纳管7的一侧，驱动电机一8的输出轴上固定连接有水平的挡板一6；所述挡板一6的自由端在驱动电机一8的往复驱动过程中与容纳管7的下开口端滑动配合，以打开或关闭容纳管7的下开口端；
所述驱动电机二9固定安装在支撑板14的下部，且位于圆孔B17的一侧，驱动电机二9的输出轴上固定连接有水平的挡板二15；所述挡板二15的自由端在驱动电机二9的往复驱动过程中与盒子二5的下端面滑动配合，以打开或关闭圆孔C；挡板二15与挡板一6之间的距离与一个钢珠10的尺寸相适配；
所述驱动电机一8、驱动电机二9、光电门3、显示器12、按键13均与控制器11连接。所述显示器12用于根据控制器11的控制进行计时时间及计算结果的显示；所述按键13用于提供人机交互接器，以便于通过控制器11控制驱动电机一8和驱动电机二9的动作。控制器11根据自由落体公式
Figure BDA0002351543670000041
计算出重力加速度，其中h是光电门3到支撑板14下端面的高度；t是多次钢珠10下落的平均时间。
作为一种优选，所述驱动电机一8和驱动电机二9均为步进电机。
作为一种优选，所述控制器11为STM32系列单片机。
本发明中，通过控制器控制驱动电机一动作，能驱动挡板一往复摆动一次，能实现对容纳管下开口端的先打开后关闭操作，从而能使位于容纳管中的一个钢珠掉落并进入圆孔B中。通过控制器控制驱动电机二动作，能驱动挡板二往复摆动一次，能实现对圆孔C的先打开后关闭操作，从而能使位于圆孔B中的钢珠脱离盒体二。脱离盒体二的钢珠做自由落体运动，并通过圆孔A进入盒体一，在经过圆孔A时，光电门实时捕捉钢珠通过的电信号，并发送给控制器。控制器在驱动电机二动作的同时可以利用内部的时钟进行计时，并在接收到光电门发出电信号后结束计时，可以实现计时时间精确到毫秒级，进而可以根据挡板二动作的时间和光电门发出电信号的时间来进行加速度的计算。显示器可以便于显示计时的开始时间和结束时间，并能显示加速度的计算结果。该教学仪器通过驱动电机驱动挡板来实现钢珠的释放，与传统的方式相比，没有初速度不确定的问题。同时，实验过程中不需要人为进行记录，避免了人为因素对测量结果的影响，也减少了因错误记录而导致重新开始实验的情况发生。
本发明结构简单，制造成本低，操作方便，易于推广，整个实验由控制器进行控制，能有效解决传统的实验操作和计算过程过于繁琐而导致的占用教学时间过多的问题，并极大的提升了实验结果的准确性，增加了学生实验的趣味性，也提升了教学的效果。

Claims (3)

1.一种测量重力加速度的教学仪器，包括底座(1)和竖直地固定连接在底座(1)上端一侧的支撑柱(4)；其特征在于，还包括盒子一(2)、支撑板(14)、盒子二(5)、容纳管(7)、驱动电机一(8)、驱动电机二(9)、显示器(12)、按键(13)和控制器(11)；
所述盒子一(2)位于支撑柱(4)的一侧，并固定安装在底座(1)上，盒子一(2)的顶板上设置有用于通过钢珠(10)的圆孔A(16)，所述圆孔A(16)中安装有光电门(3)；
所述支撑板(14)水平地固定安装在支撑柱(4)的一侧，且在对应圆孔A(16)的位置开设有用于通过钢珠(10)的圆孔B(17)；
所述盒子二(5)固定安装在支撑板(14)的上端，且盒子二(5)底板在对应圆孔B(17)的位置开设有用于通过钢珠(10)的圆孔C；
所述容纳管(7)对应圆孔B(17)地竖直地穿设在盒子二(5)中，其下开口端靠近盒子二(5)底板地设置，其上开口端延伸到盒子二(5)顶板的上方；
所述驱动电机一(8)固定安装在盒子二(5)中，且位于容纳管(7)的一侧，驱动电机一(8)的输出轴上固定连接有水平的挡板一(6)；所述挡板一(6)的自由端在驱动电机一(8)的往复驱动过程中与容纳管(7)的下开口端滑动配合，以打开或关闭容纳管(7)的下开口端；
所述驱动电机二(9)固定安装在支撑板(14)的下部，且位于圆孔B(17)的一侧，驱动电机二(9)的输出轴上固定连接有水平的挡板二(15)；所述挡板二(15)的自由端在驱动电机二(9)的往复驱动过程中与盒子二(5)的下端面滑动配合，以打开或关闭圆孔C；挡板二(15)与挡板一(6)之间的距离与一个钢珠(10)的尺寸相适配；
所述驱动电机一(8)、驱动电机二(9)、光电门(3)、显示器(12)、按键(13)均与控制器(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述驱动电机一(8)和驱动电机二(9)均为步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种测量重力加速度的教学仪器，其特征在于，所述控制器(11)为STM32系列单片机。
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