GM—1型新單擺實驗儀計時系統的改進研究

摘 要： 新單擺實驗儀是通過測量單擺周期來測量重力加速度的儀器。其計時系統MS-1是連續累計記錄多個周期的總時間，其精度為1‰秒。通過對MS-1計數計時毫秒計的改造升級，實現計時儀既能夠累計計時，也可以記錄時間間隔的功能。利用它開設新的實驗內容，提高精度，大大減少學生的手工計算工作量。

關鍵詞：單擺；計時儀；隨機誤差統計規律；計時芯片

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

1 研究依據

1.1 研究GM-1型新單擺實驗儀的目的

通過對MS-1計數計時毫秒計的改造升級，實現計時儀既能夠累計計時，也可以記錄時間間隔的功能。利用它開設新的實驗內容，提高精度，大大減少學生的手工計算工作量。

1.2 研究GM-1型新單擺實驗儀的意義

新單擺實驗儀是通過測量單擺周期來測量重力加速度的儀器。其計時系統MS-1是連續累計記錄多個周期的總時間，其精度為1‰秒。

在開設《隨機誤差統計規律的研究》實驗時，需要測量單擺三百個左右的周期來研究其隨機誤差的分布規律。過去是采用秒表手工計時，精度在1%秒，且數據分布比較分散，學生實驗效果較差。如果利用MS-1計時系統來測量，但需要每一個學生從幾百個周期的總時間中逐一相減得到，而這一工作需要手工來完成。其工作量相當大，需要花費大量的精力和時間。現擬將這一計時系統的功能進行改造升級，讓其既能記錄n個周期的總時間，也能記錄其中每一個周期的時間間隔，達到《隨機誤差統計規律的研究》實驗的要求，提高實驗精度10倍，同時大減少學生手工計算的時間，提高學習效率。

1.3 實驗室現狀分析

通過對實驗儀器的使用，基本了解了該計時系統的結構原理、使用方法，以及該計時系統對開設新實驗內容存在的問題和不足。對該計時系統進行升級改造，主要是對計時芯片進行升級，需要購買芯片，并對芯片進行編程升級。

2 研究實施方案及實施計劃

2.1 具體研究和改革內容、目標，擬解決的關鍵問題

（1）具體研究和改革內容：對MS-1計數計時毫秒計進行改造升級，主要是對計時系統的芯片進行更換和重新編程，在原來計時儀累計計時功能的基礎上，同時實現記錄時間間隔的功能。

（2）具體研究目標：實現計時儀記錄時間間隔功能后能夠保障原有實驗的正常開出。同時還能利用新單擺實驗儀開設《隨機誤差統計規律的研究》實驗。

（3）擬解決關鍵問題：關鍵是更換原有的計時芯片，并對芯片進行編程升級。

2.2 實施方案、實施方法及可行性分析

（1）實施方案和實施方法。以山東英才學院物理實驗室基礎，對一臺MS-1計數計時毫秒計進行“解剖”，進一步了解計時系統的詳盡結構和原理。購買相應的計時芯片，進行編程實驗，實現所需要的功能。

（2）可行性分析。1）項目組成員主要以實驗（技術）管理人員和物理實驗教師為主，高級職稱2人，中級職稱3人。具有豐富的一線的教學經驗和科研能力，具有較強的計算機編程經歷和能力。2）物理實驗室現有MS-1計數計時毫秒計15臺，除了保障正常的教學任務，可以利用教學的間隙時間和寒假、暑假時間進行科學實驗，確保按時、保質、保量完成立項任務。3）改造升級計時系統的芯片，根據任務的要求購買，然后根據升級功能的進行編程。

2.3 項目預期達到的成果和效果

（1）項目預期達到的成果和效果：通過此項研究能夠實現MS-1計數計時毫秒計在保證原有功能的基礎上，增加記錄時間間隔功能，從而可以利用新單擺實驗儀開設更多的實驗。

（2）實施范圍，學生受益數：山東英才學院理工科學生，重點是機械學院各專業學生，學生數每年約2000人。每一個學生在實驗過程中可以大大減少手工計算的工作量，增加學生對物理實驗的興趣，從而提高教學質量。

2.4 項目的特色與創新點

該目的特點是花錢少，受益面廣，效率高，實驗精度大大提高。立項完成后可以使我院理工科學生年復一年受益。

3 改造前和改造后數據對比

本研究針對《隨機誤差統計規律的研究》實驗為例，對改造前數據和改造后數據進行對比。

改造前數據：

實際顯示的時間為擺球每次經過霍爾傳感器所需時間總共的時間Tn。

記錄數據為單擺擺動一個周期所需時間T，T=Tn-Tn-2。

改造后數據：

實際顯示的時間為擺球一次經過霍爾傳感器所需時間即半個周期的時間Tn。

記錄數據為單擺擺動一個周期所需時間T， T=Tn+Tn-1。

數據如表1：

計時儀任意次的實際顯示改造前（圖1）和改造后 （圖2） 對比，以43次時為例，如下：

從以上數據可以看出：如果利用MS-1計時系統來測量T，需要每一個學生從幾百個周期的總時間中逐一相減得到，而這一工作需要手工來完成。其工作量相當大，需要花費大量的精力和時間。現擬將這一計時系統的功能進行改造升級，讓其既能記錄n個周期的總時間，也能記錄其中每一個周期的時間間隔，達到《隨機誤差統計規律的研究》實驗的要求，提高實驗精度10倍，同時大減少學生手工計算的時間，提高學習效率。

參考文獻：

[1]黃曉鋒，梅掌榮.單擺實驗儀的改進[J].物理與工程.

[2]朱曉欣，張燕瓊，吳紅玉.對傳統實驗儀單擺改進的探討[J].麗水學院學報.

[3]王殿學，鞠衍清.新型智能單擺實驗儀的研制[J].遼東學院學報.

[4]王保成，李漢軍，方延平.智能單擺實驗儀的研制[J].儀表技術.

作者簡介： 楊榮敏（1980-），女，碩士，講師。