計(jì)算機(jī)實(shí)測物理系數(shù)實(shí)驗(yàn)論文

1、遼寧石油化工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)論文實(shí)驗(yàn)內(nèi)容計(jì)算機(jī)實(shí)測物理系數(shù)實(shí)驗(yàn)姓名學(xué)院地點(diǎn)薛霞教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院理學(xué)院330學(xué)號專業(yè)、班級指導(dǎo)教師0903040228實(shí)驗(yàn)0903許星光實(shí)驗(yàn)時間2010年10月13日星期三第7周 星期三 第4節(jié)計(jì)算機(jī)實(shí)測實(shí)驗(yàn)摘要：利用計(jì)算機(jī)實(shí)測技術(shù)研究單擺及點(diǎn)光源的光照度與距離的關(guān)系。關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 集成開關(guān)型霍爾傳感器 單片機(jī) 光源 光探測器1 引言如今，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)越來越成為人們生活中不可或缺的部分，它已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)據(jù)測量與比較中，計(jì)算機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)更加精確，更加清晰。筆者將計(jì)算機(jī)實(shí)測計(jì)術(shù)應(yīng)用于研究單擺與點(diǎn)光源的光照度與距離的實(shí)驗(yàn)中，同時對其相

2、關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量，進(jìn)而進(jìn)行研究比較。2 計(jì)算機(jī)在研究單擺中的工作原理 2.1 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器中包括恒壓源，霍爾電勢發(fā)生器，差分放大器，施密特觸發(fā)生器，OC門輸出，三個引出段分別為電源U+,接地GND和輸出OUT.用集成開關(guān)型霍爾傳感器連接線將實(shí)驗(yàn)架上的霍爾傳感器和主機(jī)箱前面板上的單擺信號輸入端口的插孔連接，主機(jī)箱后面板上的信號輸出端口2和計(jì)算機(jī)實(shí)測物理實(shí)驗(yàn)儀接口后面板上的信號輸入端口連接。當(dāng)小磁鋼隨小球從集成霍爾開關(guān)的VOUT端輸出一個信號給計(jì)時器時，其中起橋梁作用的為模數(shù)轉(zhuǎn)換，它把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號輸出，其常寫成A/D轉(zhuǎn)換，亦即ADC,其模擬信號為電壓信號，它輸出的建立

3、時間受輸出放大器的影響，其需要數(shù)微秒，它必須通過運(yùn)算放大器進(jìn)行輸出信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度相對應(yīng)的模擬基準(zhǔn)電壓。即將其模擬信號變換成相對應(yīng)的數(shù)字量輸出，由此，單片機(jī)根據(jù)振動N次總計(jì)時時間和擺動次數(shù)，計(jì)算出單擺的擺動周期。2.2 HTM-3型霍爾開關(guān)計(jì)時儀HTM-3型霍爾開關(guān)計(jì)時儀是一種高精度數(shù)字式測時儀器，其測時精度達(dá)0.001s，它由5v直流電源和電子計(jì)時器組成，三個霍爾開關(guān)對應(yīng)的接線柱，可方便的將霍爾開關(guān)接入，當(dāng)用銣鐵硼小磁鋼的某一磁極去接近霍爾開關(guān)的感應(yīng)面時，計(jì)時儀立即開始計(jì)時（磁鋼和霍爾開關(guān)的感應(yīng)距離是一定的，主要取決于霍爾開關(guān)的特性和磁鋼磁性的強(qiáng)弱），并且只有當(dāng)磁場撤去后，再一次接近霍爾開

4、關(guān)時，計(jì)時儀才會停止計(jì)時，這樣就算測量了一個周期，而測量周期的次數(shù)是可以設(shè)置的。2.3 單片機(jī)單片機(jī)包含驅(qū)動電路，脈沖調(diào)制電路，模擬多路轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器等電路。它具備通信接口，可以很方便的與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2.4 光探測器光探測器是光接收機(jī)的首要部分。當(dāng)點(diǎn)光源在某一方向上傳送光時，光探測器采集數(shù)據(jù)，即通過傳感器等系統(tǒng)器件（用五芯的電纜線將主機(jī)箱后面板上的信號輸出端口與暗箱上的小電珠電源輸入端口連接，再用五芯的電纜線將A/D轉(zhuǎn)換通道B輸入端口與暗箱上的光探測器信號輸出端口連接，可調(diào)節(jié)A/D通道B幅度調(diào)節(jié)按鈕，改變信號放大倍數(shù)，其測量電壓小于2.5v,一般在1.5v-2.5v.）.能檢測出

5、入射到其面上的光功率，并把這個光功率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，進(jìn)而通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量輸出。通過照射在光探測器上的光強(qiáng)隨它與光源間距離的變化情況，總結(jié)出點(diǎn)光源的光強(qiáng)與距離的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證點(diǎn)光源照度與距離之間的關(guān)系。3 計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例3.1 單擺的運(yùn)動用單擺測定重力加速度實(shí)驗(yàn)中的周期公式 只是一個近似公式，只有當(dāng)幅角m趨向于零時才完全成立。如果忽略單擺懸線的質(zhì)量以及空氣的浮力和阻力的影響，并將擺球視為質(zhì)點(diǎn)。則當(dāng)幅角為時，單擺振動周期的精確度應(yīng)為 0.0001s ， 式中。如果取二級近似，那么振動周期可表示為:, 當(dāng)角度小于3度時，可以認(rèn)為T=T0,又因?yàn)?T與成線性關(guān)系

6、，所以只要測出不同幅角時測出不同幅角時的振動周期，即可作出圖線，可進(jìn)行線外推，當(dāng)角度趨于零時，即可獲得截距T0，從而得到幅角為零時的周期。實(shí)驗(yàn)中首先進(jìn)入單擺實(shí)驗(yàn)界面，選擇“小擺角測量重力加速度”界面，從實(shí)驗(yàn)界面可以看出，同一擺長測量3次單擺周期，并求平均值。調(diào)節(jié)好單擺擺長，在實(shí)驗(yàn)界面上設(shè)置好擺長參數(shù)。選擇好測量點(diǎn)，并點(diǎn)擊“開始測量”按鈕，擺動擺球，系統(tǒng)將從第三次過平衡位置時，開始計(jì)數(shù)及計(jì)時。點(diǎn)擊“停止測量”按鈕即可停止計(jì)數(shù)及計(jì)時，系統(tǒng)將自動計(jì)算出單擺的周期。同一擺長情況下測量三個周期來求其平均值。調(diào)節(jié)不同擺長進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量完成后，設(shè)置好需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)數(shù)，只能是1-10的數(shù)。點(diǎn)擊“描點(diǎn)”按鈕

7、，系統(tǒng)將需要的數(shù)據(jù)描繪在坐標(biāo)圖中。分析數(shù)據(jù)，得出斜率，截距，相關(guān)系數(shù)等結(jié)果，最后求出重力加速度點(diǎn)擊進(jìn)入“大擺角測量重力加速度”界面，進(jìn)行下一個大擺角重力加速度實(shí)驗(yàn)，擺長可取大些值。設(shè)置好單擺擺角，并使單擺擺動的擺角和設(shè)置的擺角對應(yīng)。測量其周期，其操作方式及步驟和小擺角測量重力加速度實(shí)驗(yàn)時一樣。根據(jù)需要可測量多個點(diǎn)后，同一擺角測量重力加速度的方法一樣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成大擺角測量重力加速度實(shí)驗(yàn)后，點(diǎn)擊“退出”按鈕，退出單擺實(shí)驗(yàn)。當(dāng)角度為3度時，對應(yīng)不同的擺長時：周期與擺長關(guān)系擺長cm周期平均值s35.001.185540.001.266645.001.339850.001.413655.001.4

8、7960.001.551265.001.604770.001.668675.001.724880.001.7863對數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)與線性擬合，可得斜率為3.9465，截距為0。0229，相關(guān)系數(shù)0.9999，從而得其重力加速度為10.0034.其圖像：其相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于線性關(guān)系顯著的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)擺長為60cm時，不同的的角度對應(yīng)的周期2T與m關(guān)系 擺角(度)周期平均值（秒）51.5461101.5484151.5465201.5485251.5528301.5579351.5647401.5739451.5765對數(shù)據(jù)處理得其斜率3.9465，截距0.0299，相關(guān)系數(shù)0.9999，從而得其重力加速度g

9、=10.0034。其相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于線性關(guān)系顯著地標(biāo)準(zhǔn)從而可得其圖像為：數(shù)據(jù)處理：利用運(yùn)動方程可得單擺的周期與幅度的關(guān)系為：, 而角度與擺長不同時分別將其數(shù)據(jù)代入公式得其重力加速度均為10.0034.誤差分析：實(shí)驗(yàn)中存在著系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，在實(shí)驗(yàn)中擺動擺球時的角度可能存在一定的偏差。3.2 研究點(diǎn)光源的光照度與距離的關(guān)系當(dāng)點(diǎn)光源在某一方向上元立體角d內(nèi)傳送出的光通量為dF,則該點(diǎn)光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度為：發(fā)光強(qiáng)度在數(shù)值上等于通過單位立體角的光通量。為了表征受照面被照明的明亮程度，引入光照度A=dF/dS,即光照度為投射在受光面上的光通量dF與該元面積dS的比值。假設(shè)點(diǎn)光源O至元面積dS的徑

10、向量為r，并且點(diǎn)光源發(fā)出的元光束的光與元面積法線N之間的夾角為i ，元面積對發(fā)光點(diǎn)所張的元立體角為：在此元立體角由點(diǎn)光源傳送的光通量為： 而此光通量全部投射在元面積dS上，所以元面積上的照度為： i為點(diǎn)光源到被照射面的表面之間的徑向量與該面的法線所成的角度。可見點(diǎn)光源在元面上所產(chǎn)生的光照度與光源的發(fā)光程度成正比，與距離的平方成反比。調(diào)節(jié)手柄，使點(diǎn)光源到探測器的距離為5.5cm左右，并調(diào)節(jié)AD通道B的幅度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)好放大倍數(shù)，使其測量電壓小于2.5V,V.設(shè)置好點(diǎn)光源和光探測器的距離，點(diǎn)擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)將開始采集信號，1s以后即可點(diǎn)擊“獲取數(shù)據(jù)”按鈕獲取采集數(shù)據(jù)，每個測量點(diǎn)測量三次，并

11、求平均值。可根據(jù)需要轉(zhuǎn)動手柄，改變測量距離，手柄轉(zhuǎn)動一周，點(diǎn)光源和光探測器的距離改變1mm,注意距離的變化方向。重復(fù)上一步驟的內(nèi)容10個點(diǎn)測量完后，點(diǎn)擊“描點(diǎn)”按鈕，系統(tǒng)將自動描繪出每個測量點(diǎn)的光照度對應(yīng)電壓U的平均值和之間的關(guān)系。點(diǎn)擊“直線擬合”按鈕對10個測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。得出數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)等結(jié)果并求得經(jīng)驗(yàn)公式。需要保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，即點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)會把光照度和距離的關(guān)系數(shù)據(jù)保存下來，并保存在計(jì)算機(jī)C盤中。由此測得相關(guān)數(shù)據(jù)：距離cm電壓平均值U(與光照度成正比即A=KV)/V5.502.05966.001.72476.501.4567.001.24317.501.05

12、968.000.93578.500.83839.000.74359.500.665210.000.6115有數(shù)據(jù)得出其圖像：則可得其斜率：0.006327， 截距：0.040458 ，相關(guān)系數(shù)：0.999674。數(shù)據(jù)處理：利用相關(guān)公式 ,可得出其數(shù)據(jù)符合經(jīng)驗(yàn)公式 。誤差分析：在實(shí)驗(yàn)的過程中存在著系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差。再有就是光探測器的探測面與小燈泡的照射面沒在同一平面。即由上可得點(diǎn)光源在元面上所產(chǎn)生的光照度與光源的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與距離的平方成反比。4實(shí)驗(yàn)總結(jié)：計(jì)算機(jī)作為一種測量儀器，在物理實(shí)驗(yàn)中有著其他計(jì)時儀器無法替代的作用，例如：在測量單擺幅角趨于零時的周期，計(jì)算機(jī)必須能反映其精確次數(shù)及擺角的變化而引起的微小變化，這些用秒表是幾乎無法準(zhǔn)確測量的，而且它能在準(zhǔn)確的相位處開始或停止實(shí)驗(yàn)，從而大大提高了測量的準(zhǔn)確度，而在數(shù)據(jù)處理方面，則采用了外推法，最小二乘法直線擬合等多種處理方法，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富多彩。計(jì)算機(jī)在記錄數(shù)據(jù)的同時，也清晰地反映出其相關(guān)圖像，以及各相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，