CN111354248A

CN111354248A - 一种重力加速度测量装置

Info

Publication number: CN111354248A
Application number: CN201911217444.XA
Authority: CN
Inventors: 柯浩彬; 李建中
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-06-30

Abstract

本发明公开了一种重力加速度测量装置，包括释放装置、圆筒、三个光电门、量尺、显示屏、真空泵、真空箱、小球、控制单元、基座；显示屏和真空箱均安装在基座上；真空泵通过管道与真空箱连通；释放装置、圆筒、三个光电门、量尺、小球均置于真空箱内；释放装置固定于真空箱顶部，并夹紧小球；圆筒安装在释放装置的正下方，与小球同轴，其相对的两侧各开有三个沿着圆筒延伸方向排布的孔；三个光电门安装在圆筒的外围，分别对应圆筒相对两侧的三个孔，并与对应的孔等高；量尺架设于圆筒的一侧，其延伸方向与圆筒的延伸方向一致，两者均垂直于水平面；三个光电门、显示屏、真空泵分别与控制单元连接。本发明具有操作简单、测量科学、准确度高等优点。

Description

一种重力加速度测量装置

技术领域

本发明涉及重力加速度测量的技术领域，尤其涉及到一种重力加速度测量装置。

背景技术

测量重力加速度是重要的中学物理实验，其中，实验仪器本身所带来的系统误差，以及人眼的暂留性所导致的粗大误差等都是影响重力加速度测量精度的因素。现有的实验方法主要是两种，一种是量取并分析打点计时器所打纸带上的点的间隔，利用公式法间接得到重力加速度；另一种是利用单摆实验测量重力加速度。但以上的两种方法所测量的重力加速度与当地真实值对比，均有较大误差，分析其原因，主要是第一种方法的纸带与打点计时器限位孔之间存在滑动摩擦，第二种方法是由于空气阻力以及人眼在观察小球是否到达最低点时存在暂留性所导致的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种操作简单、测量科学且准确度高的重力加速度测量装置。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种重力加速度测量装置，包括释放装置、圆筒、三个光电门、量尺、显示屏、真空泵、真空箱、小球、控制单元、基座；

所述显示屏和真空箱均安装在基座上；

所述真空泵通过管道与真空箱连通，抽出真空箱中的空气；

所述释放装置、圆筒、三个光电门、量尺、小球均置于真空箱内；

其中，所述释放装置固定于真空箱顶部，并夹紧小球；圆筒安装在释放装置的正下方，与小球同轴，其相对的两侧各开有三个沿着圆筒延伸方向排布的孔；

所述三个光电门安装在圆筒的外围，分别对应圆筒相对两侧的三个孔，并与对应的孔等高；

所述量尺架设于圆筒的一侧，其延伸方向与圆筒的延伸方向一致，两者均垂直于水平面；

所述三个光电门、显示屏、真空泵分别与控制单元连接。

进一步地，所述释放装置包括可活动铁夹、固定外壳、电磁铁以及抵触弹簧；其中，可活动铁夹安装在固定外壳底部；电磁铁置于固定外壳的两翼内，并处于可活动铁夹的两侧；抵触弹簧置于可活动铁夹和电磁铁之间，其两端分别与可活动铁夹的夹片和电磁铁连接。。

进一步地，所述装置还包括有气压传感器，该气压传感器安装在真空箱内，并与控制单元进行连接。

进一步地，所述控制单元基于STC51系列的单片机进行控制。

进一步地，所述显示屏为LCD1602液晶显示屏。

进一步地，所述基座底部四角均安装有可调脚。

进一步地，所述量尺的“0”刻度线与圆筒处于最高高度的孔等高。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

1.通过释放装置夹紧小球及进行小球的释放，可以避免人手释放抖动导致小球非自由落体运动的发生，保证小球的自由落体运动的有序进行。

2.释放装置采用电磁吸附的方式，可远程操控，随心所欲。

3.小球大部分时间为夹持状态，且夹持的力由可活动铁夹两侧的抵触弹簧提供，可节省电力资源。

4.三道光电门可以保证小球下落速率测量的连续性，实时性和准确性，并将下落时间传至单片机处理后在显示屏显示，无需人眼观察计时，避免人眼暂留性所带来的的粗大误差，使得重力加速度的测量科学、准确。

5.通过真空泵抽出真空箱中的空气，如此一来可以减少空气阻力所带来的误差；另外，真空箱内的气压值通过压力传感器检测并传送至控制单元，通过逻辑判断是否释放小球，提供了一套自动化的测量方案。

6.从上述优点5已知，本方案的装置是自动化的，在利用本方案的装置进行试验时，只需注意真空箱内是否为真空状态，并记录小球经过光电门时间加以推导重力加速度即可，操作十分简便。

7.应用场景不仅局限于中学实验教学，由于测量的准确性与便携性(装置组成较为简单)，可在不同地区测量重力加速度时加以应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种重力加速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明一种重力加速度测量装置中释放装置的结构示意图。

附图标记：

1-释放装置；2-圆筒；3-光电门；4-量尺；5-显示屏；6-真空泵；7-真空箱；8-小球；9-控制单元；10-基座；1-1-可活动铁夹；1-2-固定外壳；1-3-电磁铁；1-4-抵触弹簧。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种重力加速度测量装置，包括释放装置1、圆筒2、三个光电门3、量尺4、显示屏5、真空泵6、真空箱7、小球8、控制单元9、基座10以及气压传感器。

上述各组件的连接关系如下：

基座10底部四角均安装有可调脚，用于调节基座10四个方位的高低，实现水平放置。

显示屏5和真空箱7均安装在基座10上。

真空泵6通过管道与真空箱7连通，抽出真空箱7中的空气。

释放装置1、圆筒2、三个光电门3、量尺4、小球8气压传感器均置于真空箱7内。

其中，所述释放装置1固定于真空箱7顶部，并夹紧小球8；圆筒2安装在释放装置1的正下方，与小球8同轴，其相对的两侧各开有三个沿着圆筒2延伸方向排布的孔。

三个光电门3安装在圆筒2的外围，分别对应圆筒2相对两侧的三个孔，并与对应的孔等高。

量尺4架设于圆筒2的一侧，其延伸方向与圆筒2的延伸方向一致，两者均垂直于水平面；量尺4的“0”刻度线与圆筒2处于最高高度的孔等高。

三个光电门3、显示屏5、真空泵6、气压传感器分别与控制单元9连接。

具体地，释放装置1包括可活动铁夹1-1、固定外壳1-2、电磁铁1-3以及抵触弹簧1-4；其中，可活动铁夹1-1安装在固定外壳1-2底部；电磁铁1-3置于固定外壳1-2的两翼内，并处于可活动铁夹1-1的两侧，由控制单元9控制其供断电；抵触弹簧1-4置于可活动铁夹1-1和电磁铁1-3之间，其两端分别与可活动铁夹1-1的夹片和电磁铁1-3连接。

控制单元9基于STC51系列的单片机进行控制。

显示屏5为LCD1602液晶显示屏。

具体地工作原理如下：

触动控制单元9的按键使得真空泵6启动，抽出真空箱7中的空气。空气抽出过程中，真空箱7中气压变化通过气压传感器测得，当控制单元9检测到真空箱7内气压小于所设阈值，即认为箱内为真空状态，此时控制单元9控制释放装置释放小球8，小球8经过光电门3的时间为小球8遮挡圆筒2小孔的时间，再利用公式

(D为小球直径，t为经过光电门时间)得出小球3的近似瞬时速率，在接连经过三个光电门3之后，三组时间t₁,t₂,t₃显示在LCD1602液晶显示屏上，得到三个近似瞬时速率v₁,v₂,v₃，由公式

(h_k为第k个圆孔和第k+1圆孔的距离)推导出重力加速度。

上述中，释放装置1的工作原理如下：当电磁铁1-3断电时，在抵触弹簧1-4的作用下，可活动铁夹1-1夹取小球8；当电磁铁1-3通电时，可活动铁夹1-1的两个夹片分别被各自一侧的磁力吸附，实现张开，小球8释放。

本实施例通过释放装置1夹紧小球8及进行小球的释放，可以避免人手释放抖动导致小球非自由落体运动的发生，保证小球8的自由落体运动的有序进行。而且释放装置1采用电磁吸附的方式，可远程操控，随心所欲。还有的是，小球8大部分时间为夹持状态，且夹持的力由可活动铁夹1-1两侧的抵触弹簧1-4提供，可节省电力资源。

另外，本实施例中采用到的三道光电门3可以保证小球8下落速率测量的连续性，实时性和准确性，并将下落时间传至单片机处理后在显示屏5显示，无需人眼观察计时，避免人眼暂留性所带来的的粗大误差，使得重力加速度的测量科学、准确。

除上述，本实施例还通过真空泵6抽出真空箱7中的空气，如此一来可以减少空气阻力所带来的误差；真空箱7内的气压值通过压力传感器检测并传送至控制单元9，通过逻辑判断是否释放小球8，提供了一套自动化的测量方案。只需注意真空箱7内是否为真空状态，并记录小球8经过光电门时间加以推导重力加速度即可，操作十分简便。

最后，本实施例的应用场景不仅局限于中学实验教学，由于测量的准确性与便携性(装置组成较为简单)，可在不同地区测量重力加速度时加以应用。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种重力加速度测量装置，其特征在于，包括释放装置、圆筒、三个光电门、量尺、显示屏、真空泵、真空箱、小球、控制单元、基座；

所述显示屏和真空箱均安装在基座上；

所述真空泵通过管道与真空箱连通，抽出真空箱中的空气；

所述三个光电门、显示屏、真空泵分别与控制单元连接；

所述释放装置包括可活动铁夹、固定外壳、电磁铁以及抵触弹簧；其中，可活动铁夹安装在固定外壳底部；电磁铁置于固定外壳的两翼内，并处于可活动铁夹的两侧；抵触弹簧置于可活动铁夹和电磁铁之间，其两端分别与可活动铁夹的夹片和电磁铁连接；

所述测量装置还包括有气压传感器，该气压传感器安装在真空箱内，并与控制单元进行连接；

所述控制单元基于STC51系列的单片机进行控制；

所述显示屏为LCD1602液晶显示屏；

所述基座底部四角均安装有可调脚；

所述量尺的“0”刻度线与圆筒处于最高高度的孔等高。