自由落体测量重力加速度实验装置技术改造方案

自由落体测量重力加速度实验是中学物理教学中的一个重要实验，也是大学普通物理实验课程中最基本的验证性实验之一，在物理教学中占有重要地位。当前，该实验方法是用计时器测量自由下落小球经过两段已知高度的下落时间，计算重力加速度大小。[1]

这种测量方式需要手工记录测量数据并进行复杂计算，数据管理手段简陋、实验效率低下。应用信息技术改进自由落体测量重力加速度实验装置，不仅有效避免上述弊端，而且大大降低实验误差。

1.实验装置与原理

改进后的实验装置主要有支架、铅垂线、小球、光电门、实验仪和实验专用软件。其工作原理为光电门状态变化数据经输入电路触发单片机处理，并将结果通过输出电路发送给计算机的实验专用软件，自动完成数据的计算、保存和显示。其数据处理流程如图1所示。

图1  数据处理流程图

2.铅垂线改造与应用

铅垂线采用无伸缩变形的尼龙丝织软线制作，上端固定于电磁衔铁中心；中间紧穿3颗可以移动的直径2毫米球形胶粒（与光电门射光孔直径相近），用于调节支架铅垂时阻挡光电门光路；下段连接铅锤。其具体结构示意图如图2所示。

图2  铅垂线应用示意图

使用时，将铅垂线上端衔铁吸附于电磁铁中心定位槽，下端铅锤自由悬挂，逐一微移三个橡胶粒高度，使之与对应的光电门光路平齐；反复调节支架的支脚螺钉，直至实验仪上三个对应的光电门光路切断指示灯同时点亮，保证实验支架绝对铅垂。

3.实验仪制作与应用

测试仪为电子装置，由光电门数据输入接口电路、单片机数据处理电路、USB转UART输出电路和电磁铁控制电路构成，用于测量数据的采样、处理与发送。

三个光电门与对应的三路两级开关电路连接，构成数据输入电路。图3为上端光电门及相应的输入接口电路图。

图3  上端光电门输入接口电路图

光路连通时，光电接收管电阻很小，光电门输出高电平，Q11导通、Q12截止，光路指示灯DS1熄灭，电路输出高电平。光路切断时，光电接收管电阻很大，光电门输出低电平，Q11截止、Q12导通，光路指示灯DS1点亮，电路输出低电平。中间光电门和下端光电门及其接口电路与之相仿。

单片机采用STC89C52芯片，以厂家数据手册推荐的典型电路构建最小系统；其电路图如图4所示。

图4  单片机电路图

上、中、下三路输入接口电路将光路信号分别输入到单片机P1.0、P1.1和P1.2三个IO引脚，以控制单片机内部程序运行。光路连通时，该三个引脚为高电平。当小球下落至上端光电门时，光路断开，P1.0引脚被置低电平，内部计时器TIMER0开始计时；当小球下落至中间光电门时，P1.1引脚被置低电平，程序第一次读出TIMER0计时值，也就是小球从上端光电门到中间光电门的下落时间；当小球下落至下端光电门时，P1.2引脚被置低电平，程序第二次读出TIMER0计时值，也就是小球从上端光电门到下端光电门的下落时间，同时将两次读出的时间数据通过输出接口发送给计算机实验专用软件，并复位单片机内部测量数据，为下一次实验做好准备。

输出接口电路采用CH340G芯片，使用厂家推荐的典型电路，通过USB口实现UART通信。其电路图如图5所示。

图5  CH340G接口电路

电磁铁电路是独立的，由微型自锁开关和电磁线圈构成。接通开关，线圈产生磁性，吸住小球；断开开关，线圈磁性消失，小球自由下落。

实验仪采用5V电源，功率约为1W，直接由计算机USB口供电。使用前，将电磁铁和光电门插头插入实验仪对应插口，用USB延长线连接实验仪和计算机，开启计算机即可开始使用。

4.测量软件的开发与应用

自由落体重力加速度测量实验专用软件由Visual FoxPro开发，它是一个无需安装的绿色小软件。其主界面用于测试环境数据输入和测试结果显示，如图6所示。

图6  实验专用软件主界面

测量时，用户要事先选择实验城市，并输入小球下落的上端高度和全程高度；小球下落后，单击 “接收数据”按钮，软件即可自动收集、计算和保存数据，并立即显示实验结果。

为了方便使用，软件提供了数据浏览和管理功能，也可以将测量数据导出到Excel文件，便于分析、打印。

4.改进后的实验效果

应用信息技术改进自由落体测量重力加速度实验装置后，借助光路指示灯来调节实验支架的铅垂度，避免肉眼观察误差；同时，由光电信号触发单片机程序计时，其时间测量有效值为0.1毫秒；应用改进后的装置，在不同城市上千次实验中，相对误差在-0.67%至-0.63%之间，精度达到凯特摆测量标准。当然，采用专用软件自动收集、计算、保存和显示实验数据，避免复杂运算、提高工作效率；这是显而易见的优势。

[1]