GM—1型新單擺實(shí)驗(yàn)儀計(jì)時(shí)系統(tǒng)的改進(jìn)研究

摘 要： 新單擺實(shí)驗(yàn)儀是通過測(cè)量單擺周期來測(cè)量重力加速度的儀器。其計(jì)時(shí)系統(tǒng)MS-1是連續(xù)累計(jì)記錄多個(gè)周期的總時(shí)間，其精度為1‰秒。通過對(duì)MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)的改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)儀既能夠累計(jì)計(jì)時(shí)，也可以記錄時(shí)間間隔的功能。利用它開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高精度，大大減少學(xué)生的手工計(jì)算工作量。

關(guān)鍵詞：單擺；計(jì)時(shí)儀；隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律；計(jì)時(shí)芯片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.215

1 研究依據(jù)

1.1 研究GM-1型新單擺實(shí)驗(yàn)儀的目的

通過對(duì)MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)的改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)儀既能夠累計(jì)計(jì)時(shí)，也可以記錄時(shí)間間隔的功能。利用它開設(shè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高精度，大大減少學(xué)生的手工計(jì)算工作量。

1.2 研究GM-1型新單擺實(shí)驗(yàn)儀的意義

新單擺實(shí)驗(yàn)儀是通過測(cè)量單擺周期來測(cè)量重力加速度的儀器。其計(jì)時(shí)系統(tǒng)MS-1是連續(xù)累計(jì)記錄多個(gè)周期的總時(shí)間，其精度為1‰秒。

在開設(shè)《隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究》實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要測(cè)量單擺三百個(gè)左右的周期來研究其隨機(jī)誤差的分布規(guī)律。過去是采用秒表手工計(jì)時(shí)，精度在1%秒，且數(shù)據(jù)分布比較分散，學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果較差。如果利用MS-1計(jì)時(shí)系統(tǒng)來測(cè)量，但需要每一個(gè)學(xué)生從幾百個(gè)周期的總時(shí)間中逐一相減得到，而這一工作需要手工來完成。其工作量相當(dāng)大，需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間?，F(xiàn)擬將這一計(jì)時(shí)系統(tǒng)的功能進(jìn)行改造升級(jí)，讓其既能記錄n個(gè)周期的總時(shí)間，也能記錄其中每一個(gè)周期的時(shí)間間隔，達(dá)到《隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究》實(shí)驗(yàn)的要求，提高實(shí)驗(yàn)精度10倍，同時(shí)大減少學(xué)生手工計(jì)算的時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。

1.3 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀分析

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用，基本了解了該計(jì)時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、使用方法，以及該計(jì)時(shí)系統(tǒng)對(duì)開設(shè)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在的問題和不足。對(duì)該計(jì)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，主要是對(duì)計(jì)時(shí)芯片進(jìn)行升級(jí)，需要購買芯片，并對(duì)芯片進(jìn)行編程升級(jí)。

2 研究實(shí)施方案及實(shí)施計(jì)劃

2.1 具體研究和改革內(nèi)容、目標(biāo)，擬解決的關(guān)鍵問題

（1）具體研究和改革內(nèi)容：對(duì)MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)進(jìn)行改造升級(jí)，主要是對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的芯片進(jìn)行更換和重新編程，在原來計(jì)時(shí)儀累計(jì)計(jì)時(shí)功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)記錄時(shí)間間隔的功能。

（2）具體研究目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)儀記錄時(shí)間間隔功能后能夠保障原有實(shí)驗(yàn)的正常開出。同時(shí)還能利用新單擺實(shí)驗(yàn)儀開設(shè)《隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究》實(shí)驗(yàn)。

（3）擬解決關(guān)鍵問題：關(guān)鍵是更換原有的計(jì)時(shí)芯片，并對(duì)芯片進(jìn)行編程升級(jí)。

2.2 實(shí)施方案、實(shí)施方法及可行性分析

（1）實(shí)施方案和實(shí)施方法。以山東英才學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)，對(duì)一臺(tái)MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)進(jìn)行“解剖”，進(jìn)一步了解計(jì)時(shí)系統(tǒng)的詳盡結(jié)構(gòu)和原理。購買相應(yīng)的計(jì)時(shí)芯片，進(jìn)行編程實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

（2）可行性分析。1）項(xiàng)目組成員主要以實(shí)驗(yàn)（技術(shù)）管理人員和物理實(shí)驗(yàn)教師為主，高級(jí)職稱2人，中級(jí)職稱3人。具有豐富的一線的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研能力，具有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)編程經(jīng)歷和能力。2）物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)15臺(tái)，除了保障正常的教學(xué)任務(wù)，可以利用教學(xué)的間隙時(shí)間和寒假、暑假時(shí)間進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，確保按時(shí)、保質(zhì)、保量完成立項(xiàng)任務(wù)。3）改造升級(jí)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的芯片，根據(jù)任務(wù)的要求購買，然后根據(jù)升級(jí)功能的進(jìn)行編程。

2.3 項(xiàng)目預(yù)期達(dá)到的成果和效果

（1）項(xiàng)目預(yù)期達(dá)到的成果和效果：通過此項(xiàng)研究能夠?qū)崿F(xiàn)MS-1計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)毫秒計(jì)在保證原有功能的基礎(chǔ)上，增加記錄時(shí)間間隔功能，從而可以利用新單擺實(shí)驗(yàn)儀開設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)施范圍，學(xué)生受益數(shù)：山東英才學(xué)院理工科學(xué)生，重點(diǎn)是機(jī)械學(xué)院各專業(yè)學(xué)生，學(xué)生數(shù)每年約2000人。每一個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中可以大大減少手工計(jì)算的工作量，增加學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

2.4 項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)

該目的特點(diǎn)是花錢少，受益面廣，效率高，實(shí)驗(yàn)精度大大提高。立項(xiàng)完成后可以使我院理工科學(xué)生年復(fù)一年受益。

3 改造前和改造后數(shù)據(jù)對(duì)比

本研究針對(duì)《隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究》實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)改造前數(shù)據(jù)和改造后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

改造前數(shù)據(jù)：

實(shí)際顯示的時(shí)間為擺球每次經(jīng)過霍爾傳感器所需時(shí)間總共的時(shí)間Tn。

記錄數(shù)據(jù)為單擺擺動(dòng)一個(gè)周期所需時(shí)間T，T=Tn-Tn-2。

改造后數(shù)據(jù)：

實(shí)際顯示的時(shí)間為擺球一次經(jīng)過霍爾傳感器所需時(shí)間即半個(gè)周期的時(shí)間Tn。

記錄數(shù)據(jù)為單擺擺動(dòng)一個(gè)周期所需時(shí)間T， T=Tn+Tn-1。

數(shù)據(jù)如表1：

計(jì)時(shí)儀任意次的實(shí)際顯示改造前（圖1）和改造后 （圖2） 對(duì)比，以43次時(shí)為例，如下：

從以上數(shù)據(jù)可以看出：如果利用MS-1計(jì)時(shí)系統(tǒng)來測(cè)量T，需要每一個(gè)學(xué)生從幾百個(gè)周期的總時(shí)間中逐一相減得到，而這一工作需要手工來完成。其工作量相當(dāng)大，需要花費(fèi)大量的精力和時(shí)間?，F(xiàn)擬將這一計(jì)時(shí)系統(tǒng)的功能進(jìn)行改造升級(jí)，讓其既能記錄n個(gè)周期的總時(shí)間，也能記錄其中每一個(gè)周期的時(shí)間間隔，達(dá)到《隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)規(guī)律的研究》實(shí)驗(yàn)的要求，提高實(shí)驗(yàn)精度10倍，同時(shí)大減少學(xué)生手工計(jì)算的時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。

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作者簡介： 楊榮敏（1980-），女，碩士，講師。