GM—1型新单摆实验仪计时系统的改进研究

摘 要： 新单摆实验仪是通过测量单摆周期来测量重力加速度的仪器。其计时系统MS-1是连续累计记录多个周期的总时间，其精度为1‰秒。通过对MS-1计数计时毫秒计的改造升级，实现计时仪既能够累计计时，也可以记录时间间隔的功能。利用它开设新的实验内容，提高精度，大大减少学生的手工计算工作量。

关键词：单摆；计时仪；随机误差统计规律；计时芯片

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

1 研究依据

1.1 研究GM-1型新单摆实验仪的目的

通过对MS-1计数计时毫秒计的改造升级，实现计时仪既能够累计计时，也可以记录时间间隔的功能。利用它开设新的实验内容，提高精度，大大减少学生的手工计算工作量。

1.2 研究GM-1型新单摆实验仪的意义

新单摆实验仪是通过测量单摆周期来测量重力加速度的仪器。其计时系统MS-1是连续累计记录多个周期的总时间，其精度为1‰秒。

在开设《随机误差统计规律的研究》实验时，需要测量单摆三百个左右的周期来研究其随机误差的分布规律。过去是采用秒表手工计时，精度在1%秒，且数据分布比较分散，学生实验效果较差。如果利用MS-1计时系统来测量，但需要每一个学生从几百个周期的总时间中逐一相减得到，而这一工作需要手工来完成。其工作量相当大，需要花费大量的精力和时间。现拟将这一计时系统的功能进行改造升级，让其既能记录n个周期的总时间，也能记录其中每一个周期的时间间隔，达到《随机误差统计规律的研究》实验的要求，提高实验精度10倍，同时大减少学生手工计算的时间，提高学习效率。

1.3 实验室现状分析

通过对实验仪器的使用，基本了解了该计时系统的结构原理、使用方法，以及该计时系统对开设新实验内容存在的问题和不足。对该计时系统进行升级改造，主要是对计时芯片进行升级，需要购买芯片，并对芯片进行编程升级。

2 研究实施方案及实施计划

2.1 具体研究和改革内容、目标，拟解决的关键问题

（1）具体研究和改革内容：对MS-1计数计时毫秒计进行改造升级，主要是对计时系统的芯片进行更换和重新编程，在原来计时仪累计计时功能的基础上，同时实现记录时间间隔的功能。

（2）具体研究目标：实现计时仪记录时间间隔功能后能够保障原有实验的正常开出。同时还能利用新单摆实验仪开设《随机误差统计规律的研究》实验。

（3）拟解决关键问题：关键是更换原有的计时芯片，并对芯片进行编程升级。

2.2 实施方案、实施方法及可行性分析

（1）实施方案和实施方法。以山东英才学院物理实验室基础，对一台MS-1计数计时毫秒计进行“解剖”，进一步了解计时系统的详尽结构和原理。购买相应的计时芯片，进行编程实验，实现所需要的功能。

（2）可行性分析。1）项目组成员主要以实验（技术）管理人员和物理实验教师为主，高级职称2人，中级职称3人。具有丰富的一线的教学经验和科研能力，具有较强的计算机编程经历和能力。2）物理实验室现有MS-1计数计时毫秒计15台，除了保障正常的教学任务，可以利用教学的间隙时间和寒假、暑假时间进行科学实验，确保按时、保质、保量完成立项任务。3）改造升级计时系统的芯片，根据任务的要求购买，然后根据升级功能的进行编程。

2.3 项目预期达到的成果和效果

（1）项目预期达到的成果和效果：通过此项研究能够实现MS-1计数计时毫秒计在保证原有功能的基础上，增加记录时间间隔功能，从而可以利用新单摆实验仪开设更多的实验。

（2）实施范围，学生受益数：山东英才学院理工科学生，重点是机械学院各专业学生，学生数每年约2000人。每一个学生在实验过程中可以大大减少手工计算的工作量，增加学生对物理实验的兴趣，从而提高教学质量。

2.4 项目的特色与创新点

该目的特点是花钱少，受益面广，效率高，实验精度大大提高。立项完成后可以使我院理工科学生年复一年受益。

3 改造前和改造后数据对比

本研究针对《随机误差统计规律的研究》实验为例，对改造前数据和改造后数据进行对比。

改造前数据：

实际显示的时间为摆球每次经过霍尔传感器所需时间总共的时间Tn。

记录数据为单摆摆动一个周期所需时间T，T=Tn-Tn-2。

改造后数据：

实际显示的时间为摆球一次经过霍尔传感器所需时间即半个周期的时间Tn。

记录数据为单摆摆动一个周期所需时间T， T=Tn+Tn-1。

数据如表1：

计时仪任意次的实际显示改造前（图1）和改造后 （图2） 对比，以43次时为例，如下：

从以上数据可以看出：如果利用MS-1计时系统来测量T，需要每一个学生从几百个周期的总时间中逐一相减得到，而这一工作需要手工来完成。其工作量相当大，需要花费大量的精力和时间。现拟将这一计时系统的功能进行改造升级，让其既能记录n个周期的总时间，也能记录其中每一个周期的时间间隔，达到《随机误差统计规律的研究》实验的要求，提高实验精度10倍，同时大减少学生手工计算的时间，提高学习效率。

参考文献：

[1]黄晓锋，梅掌荣.单摆实验仪的改进[J].物理与工程.

[2]朱晓欣，张燕琼，吴红玉.对传统实验仪单摆改进的探讨[J].丽水学院学报.

[3]王殿学，鞠衍清.新型智能单摆实验仪的研制[J].辽东学院学报.

[4]王保成，李汉军，方延平.智能单摆实验仪的研制[J].仪表技术.

作者简介： 杨荣敏（1980-），女，硕士，讲师。