CN206282497U - 一种用于测量重力加速度的单摆 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种用于测量重力加速度的单摆，包括底座、立柱、横梁、摆线及摆球，立柱一端连接着底座，立柱的另一端连接着横梁，摆线的一端系在横梁上，摆线的另一端拴着摆球，其特征在于：还包括光电测量装置，光电测量装置可调节地固定在立柱上；光电测量装置包括光源、光敏电阻、光电计数器、单片机及显示屏，光源射出的光能射到光敏电阻上，摆球摆动的最低点位于光源和光敏电阻之间，光敏电阻连接着光电计数器，光电计数器连接着单片机，单片机连接着显示屏。本实施例通过单摆上增加的光电测量装置自动测量、计算及显示重力加速度，简化了操作，提高了精度。

Description

一种用于测量重力加速度的单摆

技术领域

本实用新型实施例涉及实验装置技术，尤其涉及一种用于测量重力加速度的单摆。

背景技术

在物理实验中，主要有单摆法、复摆法、电磁计时器法、多球下落法等方法测量重力加速度。在这些方法当中，单摆法是最简单的一种，应用较为广泛。实验室中的单摆是把一个金属小球拴在一根细长的线上所构成的，要求细线的质量与小球的质量相比小很多，而且小球的直径与细线的长度相比也小很多，那么次装置在重力的作用下摆动就是单摆。当摆角很小(小于5°)，单摆的周期为：

式(1)中L为单摆的摆长，也就是悬点到小球球心的距离，g为当地的重力加速度，T为单摆的周期，根据(1)式可得单摆计算重力加速度公式：

所以只要通过实验测出单摆摆长L和单摆的周期T，就可根据式(2)把重力加速度求出。

其中一种利用单摆测量重力加速度的方法是采用人工秒表计时及手工计算重力加速度，操作麻烦且精度不高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种用于测量重力加速度的单摆，可以简化操作且提高精度。

本实用新型实施例提供了一种用于测量重力加速度的单摆，包括底座、立柱、横梁、摆线及摆球，所述立柱一端连接着所述底座，所述立柱的另一端连接着所述横梁，所述摆线的一端系在所述横梁上，所述摆线的另一端拴着所述摆球，其中：

还包括光电测量装置，所述光电测量装置可调节地固定在所述立柱上；

所述光电测量装置包括光源、光敏电阻、光电计数器、单片机及显示屏，所述光源射出的光能射到所述光敏电阻上，所述摆球摆动的最低点位于所述光源和所述光敏电阻之间，所述光敏电阻连接着所述光电计数器，所述光电计数器连接着所述单片机，所述单片机连接着所述显示屏。

上述单摆中,可选的是,还包括激光校准装置，用于在所述底座形成光线来校准摆球的摆动。

上述单摆中,可选的是,所述激光校准装置包括激光笔和棱镜，所述激光笔和所述棱镜均固定在所述立柱上，所述激光笔发出的激光经过所述棱镜在所述底座形成所述光线。

上述单摆中,可选的是,所述激光校准装置固定于所述底座上，所述激光校准装置发出激光在所述底座上形成所述光线。

上述单摆中,可选的是,还包括量角器，所述量角器固定于所述立柱上，用于校准所述摆球的摆动角度。

本实施例通过单摆上增加的光电测量装置自动测量、计算及显示重力加速度，简化了操作，提高了精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图；

图2是本实用新型实施例二提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图；

图3是本实用新型实施例三提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图，本实施例可适用于利用单摆测量重力加速度的情况。

该用于测量重力加速度的单摆包括底座13、立柱14、横梁15、摆线16及摆球17，所述立柱一端连接着所述底座，所述立柱的另一端连接着所述横梁，所述摆线的一端系在所述横梁上，所述摆线的另一端拴着所述摆球，还包括光电测量装置10，所述光电测量装置可调节地固定在所述立柱上。

光电测量装置可以代替人工对单摆的摆动次数进行自动计数，对单摆的摆动时间进行自动计时，自动计算重力加速度以及自动显示测量结果。光电测量装置的计时精度能达到微秒，而人工的秒表计时的精度连毫秒都达不到。光电测量装置能自动计算及显示重力加速度，使测量变得更加便捷。因为光电测量装置是可调节地固定在所述立柱上的，所以光电测量装置可以随着摆线长度的变化而上下移动，便于对不同长度的单摆进行测量。

所述光电测量装置包括光源11、光敏电阻、光电计数器、单片机及显示屏，所述光源射出的光能射到所述光敏电阻上，所述摆球摆动的最低点位于所述光源和所述光敏电阻之间，所述光敏电阻连接着所述光电计数器，所述光电计数器连接着所述单片机，所述单片机连接着所述显示屏。

摆球摆动到最低点会遮挡光源发出的光线，光敏电阻没有接收到光线，其阻值会发生变化，光电计数器会将单摆摆动的次数加一，单片机将光源被遮挡的时刻记录下来，光源任两次遮挡时刻之差除以其间单摆摆动次数的一半即得单摆的周期T，摆线长度L已知，由单摆计算重力加速度公式算出重力加速度g的值，单片机控制显示屏显示重力加速度g的值。

单摆起初的几次摆动不够稳定，在计算单摆的周期时，通过单片机的程序忽略单摆的前几次摆动，例如以光源第5次被遮挡开始计时，而且两次遮挡时刻之差越大误差越小，例如在单摆摆动30～50次后再由单片机计算单摆周期。

单片机可精确测量单摆摆动30～50次所用的时间，单片机计时比传统的手工计时操作简单且使误差大大减小。

经实验测量，测得当地的平均重力加速度g＝9.7876m/s²，相对误差由±0.58％减小为现在的±0.05％，大大提升了实验的精度。该实验装置原理简单、易操作且误差小。

本实施例通过单摆上增加的光电测量装置自动测量、计算及显示重力加速度，简化了操作，提高了精度。

实施例二

图2是本实用新型实施例二提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图。图中示出了显示屏12。本实施例在上述实施例的基础上进行了优化，本实施例中用于测量重力加速度的单摆还包括激光校准装置，用于在所述底座形成光线来校准摆球的摆动。

光电测量装置的光源和光敏电阻连成一条直线，摆球在垂直于该直线的平面内摆动时实验效果最佳，激光校准装置在底座形成的光线和摆线的上端点形成摆球的校准面，实验时只要使摆球在底座的投影位于底座的光线上就可确保摆球在校准面内摆动。当摆球在底座的投影为椭圆时，说明摆球在进行圆锥摆，此时实验效果不好，应避免形成圆锥摆。

进一步地，所述激光校准装置包括激光笔21和棱镜22，所述激光笔和所述棱镜均固定在所述立柱上，所述激光笔发出的激光经过所述棱镜在所述底座形成所述光线23。

棱镜位于单摆的横梁上，激光笔位于棱镜之上，棱镜和激光笔不会妨碍摆球的摆动，激光笔发出的激光先经棱镜再经摆线的上端点垂直照射到底座上形成光线，用该法形成的光线均匀而且稳定，便于校准摆球的摆动。

本实施例通过激光校准装置在底座形成光线来校准摆球的摆动，改善了实验效果。

实施例三

图3是本实用新型实施例三提供的用于测量重力加速度的单摆结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上进行了优化。本实施例中激光校准装置31固定于所述底座上，所述激光校准装置发出激光在所述底座上形成所述光线。

利用固定于所述底座的激光校准装置在底座上形成用于校准的光线，结构更加简单。

还包括量角器32，所述量角器固定于所述立柱上，用于校准所述摆球的摆动角度。

当摆角很小，例如小于5°时，摆球近似做简谐运动，此时算出的重力加速度误差较小。调节小球可使摆线的偏角在量角器5°以内。

本实施例通过固定于底座的激光校准装置和固定于立柱的量角器来校准摆球的摆动，减小了实验误差。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种用于测量重力加速度的单摆，包括底座、立柱、横梁、摆线及摆球，所述立柱一端连接着所述底座，所述立柱的另一端连接着所述横梁，所述摆线的一端系在所述横梁上，所述摆线的另一端拴着所述摆球，其特征在于：

还包括光电测量装置，所述光电测量装置可调节地固定在所述立柱上；

所述光电测量装置包括光源、光敏电阻、光电计数器、单片机及显示屏，所述光源射出的光能射到所述光敏电阻上，所述摆球摆动的最低点位于所述光源和所述光敏电阻之间，所述光敏电阻连接着所述光电计数器，所述光电计数器连接着所述单片机，所述单片机连接着所述显示屏。

2.根据权利要求1所述的用于测量重力加速度的单摆，其特征在于，还包括激光校准装置，用于在所述底座形成光线来校准摆球的摆动。

3.根据权利要求2所述的用于测量重力加速度的单摆，其特征在于，所述激光校准装置包括激光笔和棱镜，所述激光笔和所述棱镜均固定在所述立柱上，所述激光笔发出的激光经过所述棱镜在所述底座形成所述光线。

4.根据权利要求2所述的用于测量重力加速度的单摆，其特征在于，所述激光校准装置固定于所述底座上，所述激光校准装置发出激光在所述底座上形成所述光线。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于测量重力加速度的单摆，其特征在于，还包括量角器，所述量角器固定于所述立柱上，用于校准所述摆球的摆动角度。