单摆周期高精度同步测定装置

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1引言

用单摆测定当地重力加速度是中学物理教学过程中的一个重要的学生实验，而测定周期对实验产生很大的误差，传统的方法是用人工计时、计数，多次测量（30～50次）取平均值的方法，这种方法虽然能消除偶然误差的影响，但计时起点和终点位置选择，以及人的反应时间，实验习惯，会对实验产生很大的影响.

本装置采用磁性传感器采集数据，能将振动时间和振动次数同步显示在两组数码管上，利用磁传感器，很好地解决同步难的问题，大大节省实验时间，提高了实验效率.本装置有声光提示功能，趣味性强，器材成本低，便于学生动手制作，是中学物理分组实验首选方案之一，值得推广.

2研究报告

2.1该项目的背景和改进的基本思路

测定单摆全振动的周期，传统的方法会产生很大误差，实验室中传感器只能看到实验结果，不能看到实验过程.用单片机来完成测定振动时间及振动次数一般不能做到同步显示数据，原因是单片机只能一步步执行程序，做到两件事同时同步很难，因为单片机每执行一步程序都要做判断，会费时间.本装置利用两块显示屏，一个单片机，一个计时器，很好地解决同步难的问题，且可以脱离电脑，直接通过面板来编程.

2.2研究方法

文献资料收集法、科学实验对比法.

2.3工作原理

通过单片机编程实现输入单摆全振动次数，测定总时间，实现声光同步，高精度测定单摆振动周期.

2.4创新思路

（1）本装置由于采用磁性传感器采集数据，计时准确，对计时起点选择无特殊要求，只要测几次即可，大大节省实验时间，提高了实验效率.且可以通过与磁性传感器串联的手动开关实现排除前几次不稳定的全振动，振动过程中随时打开手动开关，即可采集数据.

（2）本装置能将振动时间和振动次数同步显示在数码管上，直观鲜明，便于学生进行分组实验.

（3）本装置利用两块显示屏，一个单片机，一个计时器，一个磁性传感器，很好地解决同步难的问题.且可以脱离电脑，直接通过面板来实现C语言编程，用机器码来代替程序.

（4）本装置与同类产品相比，智能计数，同步显示，同步计时，且计时开始和结束都可通过面板编程来实现所需要的声音提示，优势更明显，趣味性强，制作成本低，便于学生制作，值得推广，是中学物理实验首选方案之一，具有较高的经济社会价值.

2.5单片机程序

地址机器码文字说明

0008 13 00按DA键开始执行程序

0309 13 03是否松开DA键了

0604 00数码管显示00

0808 12 08按下减1键没有

1109 12 11松开减1键来吗

1406 01数字加1

1600 00端口0号灯亮

1803 00 00 用音乐休止延时0.1秒

2101 00关闭0号灯

2303 27 02奏高音7，半拍

2608 12 26再次按下减1键了吗

2909 12 29松开减1键了吗

3206 01数字加1

3411 10 39是否感应了10次了，等于10次了跳转到39

地址去执行程序，不满10次转26地址继续

3710 26转向26地址执行

3908 12 39按下减1键了吗

4209 12 42松开减1键没有

4506 01 数字加1

4700 00端口0号灯亮

4903 00 04用音乐休止延时1秒

5201 00关闭0号灯

5403 27 02奏高音7

5708 12 57等待按下减1键

6009 12 60等待松开减1键

6310 00感应满11次了，转向00地址重新开始

2.6进一步完善的设想

用液晶显示屏同步显示单摆振动时间和振动次数.用电容、电感传感器或光电传感器读取全振动次数，比磁传感器效果更好，用磁传感器的缺点是单摆做阻尼振动，全振动次数会减少.

2.7制作方法

（1）安装铁架台、铁夹，细线和磁性摆球.

（2）制作小木盒，安装cd2051单片机、数码管、干簧管、电源开关、手动开关.

（3）为单片机输入用C语言编写代码程序.

（4）设定全振动次数，进行实验和调试.

2.8使用方法

（1） 单片机启动方法如下：先按一下复位键，按住D/A键（不要松手），再按+1键，使数码管显示带电的“10”，松开+1键（D/A键仍然按住）同时按一下W键后松手.

（2）断开手动开关，按一下+1键等待计数.

（3）让摆球偏离平衡位置放手，剔除前几次全振动，待稳定后接通手动开关开始计数.

（4）开始计数（第1次，有声音提示），设定次数到（例如：全振动5次，n取11），结束计数（第11次，有声音提示），读出记录的总时间t.

（5）由周期公式T=2tn-1计算单摆周期.

3数据分析

单摆全振动的次数可以通过面板上的按键编程，任意选取，比如选5次，n取11次经过平衡位置，通过计时器测定总时间t，由周期公式T=2tn-1可算出周期，结果保留三位有效数字，由于剔除前几次不稳定全振动，结果更精确.

传统实验测定单摆振动周期，需要到30～50次全振动的总时间t，用T=2tn-1求周期.这样做实验时间长，且计时位置的选择会产生偶然误差，秒表读数也会产生偶然误差.而且市场上购买的传感器只能看到测定结果，不能看到测定过程，有很大的缺陷.本装置利用cd2051单片机1块、铁架台1台、数码管1只、干簧管1只、细绳1根、磁性摆球1个、电源开关、手动开关等制作成单摆周期高精度同步测定装置，用于中学物理实验，可大大节省实验时间，一般选几次全振动时间即可，且计时位置精确.能准确测定全振动的周期，不会产生偶然误差.且智能计数，同步计时，有声音提示，趣味性强，制作成本低，便于讲解传感器的应用，更适合高中物理分组实验教学，具有较高的应用价值.