智能化测量重力加速度的实验研究

杨桂林

(菏泽学院蒋震机电工程学院，山东菏泽274015)

目前，重力加速度的测量方法主要有单摆法和自由落体法2种方法.用单摆法测量重力加速度时，要求忽略细线的质量，摆线长远大于小球的直径，把小球看成质点，并且小球的摆幅要小于5°;而用自由落体法测量重力加速度时，小球释放前是用通电的电磁铁吸住的，在断电的瞬间，电磁铁有剩磁，小球通过光电门时，往往不是小球的质心遮光计时，此外，还需要手工计算，这些因素都会对重力加速度的测量值产生较大的影响［1－2］.鉴于以上的不足之处，笔者对重力加速度的智能化测量进行了研究，并设计和研制了智能重力加速度测量装置，在设计过程中最大程度地降低了旧式测量存在的误差影响，实现了比较精确的智能化测量.

1 实验装置

1.1 结构示意图 智能重力加速度测量装置的结构［1］如图1所示.支架下端固定在底座上，上端装有小球释放装置，小球放在释放装置上的圆孔中，小球的释放由支撑触头的伸出或缩进来控制，支撑触头的状态由电动机带动传动装置控制.在支架的中间，装有可移动的光电开关，光电开关通过导线与电源和单片机AT89S52相连接.液晶屏、键盘、单片机AT89S52、电源以及报警装置等都封装在一块，共同组成了一个功能强大的控制系统，另外，该装置还装有水平仪和刻度尺.

图1 智能重力加速度测量装置结构示意图

1.2 硬件设计 该智能重力加速度测量装置主要由电源电路、释放小球控制电路、AT89S52控制电路、小球检测电路、显示器、报警电路6部分组成，其结构框图［1，3］如图2所示.

图2 系统结构框图

图3 +5 V的电源电路

1.2.1 电源电路 电源电路如图3所示，主要由9 V的电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路4部分组成.首先220 V的交流电压经9 V的电源变压器变为所需要的电压值，然后经过整流电路将交流电压变为脉动直流电压给电磁铁供电，最后通过滤波、稳压电路输出+5 V的稳定电压，给单片机AT89S52、液晶屏、光电开关、报警电路供电［4］.将该电路中的集成块LM78L05换成LM7812即可得到+12 V的电源，从而给电机供电.

图4 释放小球的控制电路

1.2.2 释放小球装置电路 按下开始按键，单片机AT89S52即发出信号使继电器吸合，电机开始转动，从而抽动拉杆释放小球，其电路［4］如图4所示.在该电路中，选用了反应速度快、精度高的电机.

1.2.3 AT89S52控制电路 AT89S52控制电路由单片机AT89S52及其外围电路组成，其电路［4－5］如图5所示.

1.2.4 小球检测电路 小球在自由下落的过程中，小球的底部经过光电开关时，光电开关开始工作，其输出端输出低电平，并送入单片机，停止计时.其电路［4］如图6所示.

图5 AT89S52控制电路

图6 小球检测电路

图7 报警电路

1.2.5 报警电路 当小球自由下落时，若被光电开关检测到，则报警电路工作，并发出数据有效的信号，其电路［4］如图7所示.

另外，选用SMC1602液晶屏以显示相应的信息.

1.3 软件设计 整个系统的主程序流程图［5］如图8所示，首先按要求调整好所下落的距离，并通过键盘输入单片机，按开始键进行一次测量，然后重新调整下落距离并输入单片机，启动第2次测量，直到完成5次测量，最后单片机自动完成所有的计算，并将结果显示在显示器上.

2 实验原理

小球自释放处自由下落到光电开关的距离为h，小球下落距离h所用的时间为t，由自由落体运动规律的公式h=得 g=.

图8 主程序流程图

3 实验方法与步骤［6］

1)调节支架底座上的水平调节旋钮，使水平仪中的气泡处在中间位置，从而使支架处于垂直状态.

2)将小球放在释放装置的圆孔内，调节光电开关支架的位置.

3)接通电源，输入小球自由下落的距离h.

4)打开小球释放按钮，小球自由下落，液晶屏显示此次测量的重力加速度数值.

5)重复步骤2)、3)、4)，测量5 次.

6)由单片机AT89S52完成较精确的计时、计算、存储以及数据处理等一系列工作，按相应的功能按钮，从显示器获取相应的数据.

4 实验结果

根据山东省菏泽市所处位置可知(北纬 35°11'、东经 115°36'、海拔52.5m［7］)，当地的重力加速度 g0=9.785 m·s－2［8］，用普通重力加速度测量装置、智能重力加速度测量装置测得的实验数据分别如表1和2所示.

表1 普通重力加速度测量装置测得的实验数据

表2 智能重力加速度测量装置测得的实验数据

由以上实验数据可见，用智能加速度测量装置测得的实验数据精度较高，精度提高了约13倍，而且相对误差都在实验规定的误差范围之内.

5 小结

反复试验证明:该智能重力加速度测量装置不仅能满足实验的要求，而且实现了重力加速度的智能化测量，提高了测量精度，极大地改善了实验环境，丰富了实验内容，提高了实验效率.该仪器结构合理、操作方便、测量误差小，因此，智能重力加速度测量装置在测量重力加速度的实验中有着广泛的应用和良好的推广前景.

［1］杜方炳，杨红梅，夏湘芳.重力加速度测量仪的设计与制作［J］.物理实验，2007，27(11):26－27.

［2］明文祥.自由落体仪测重力加速度实验误差及教学要求的讨论［J］.物理实验，2008，8(5):220－223.

［3］朱端兴，曹正东.落球法测定重力加速度实验的改进［J］.大学物理实验，2009，15(3):26－29.

［4］杨桂林.基于 AT89S52的智能小车的设计［J］.微计算机信息，2010，26(7):124－125.

［5］赵建领.51系列单片机开发宝典［M］.北京:电子工业出版社，2010:35－332.

［6］朱俊孔，张山彪，高铁军，等.普通物理实验［M］.济南:山东大学出版社，2010:46－47.

［7］王运思.菏泽市情研究［M］.北京:中国工人出版社，2009:6－7.

［8］周维新，李建英，丘其宪.气象用重力加速度计算方法的研究［J］.气象，1999，25(6):3－7.