計算機實測物理系數(shù)實驗論文

1、遼寧石油化工大學物理實驗論文實驗內(nèi)容計算機實測物理系數(shù)實驗姓名學院地點薛霞教育實驗學院理學院330學號專業(yè)、班級指導教師0903040228實驗0903許星光實驗時間2010年10月13日星期三第7周 星期三 第4節(jié)計算機實測實驗摘要：利用計算機實測技術研究單擺及點光源的光照度與距離的關系。關鍵詞：計算機 集成開關型霍爾傳感器 單片機 光源 光探測器1 引言如今，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，計算機越來越成為人們生活中不可或缺的部分，它已經(jīng)在各個領域得到廣泛的應用，特別是在數(shù)據(jù)測量與比較中，計算機實測數(shù)據(jù)更加精確，更加清晰。筆者將計算機實測計術應用于研究單擺與點光源的光照度與距離的實驗中，同時對其相

2、關參數(shù)進行測量，進而進行研究比較。2 計算機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.用集成開關型霍爾傳感器連接線將實驗架上的霍爾傳感器和主機箱前面板上的單擺信號輸入端口的插孔連接，主機箱后面板上的信號輸出端口2和計算機實測物理實驗儀接口后面板上的信號輸入端口連接。當小磁鋼隨小球從集成霍爾開關的VOUT端輸出一個信號給計時器時，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，它必須通過運算放大器進行輸出信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度相對應的模擬基準電壓。即將其模擬信號變換成相對應的數(shù)字量輸出，由此，單片機根據(jù)振動N次總計時時間和擺動次數(shù)，計算出單擺的擺動周期。2.2 HTM-3型霍爾開關計時儀HTM-3型霍爾開關計時儀是一種高精度數(shù)字式測時儀器，其測時精度達0.001s，它由5v直流電源和電子計時器組成，三個霍爾開關對應的接線柱，可方便的將霍爾開關接入，當用銣鐵硼小磁鋼的某一磁極去接近霍爾開關的感應面時，計時儀立即開始計時（磁鋼和霍爾開關的感應距離是一定的，主要取決于霍爾開關的特性和磁鋼磁性的強弱），并且只有當磁場撤去后，再一次接近霍爾開

4、關時，計時儀才會停止計時，這樣就算測量了一個周期，而測量周期的次數(shù)是可以設置的。2.3 單片機單片機包含驅(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，可以很方便的與計算機進行數(shù)據(jù)通信。2.4 光探測器光探測器是光接收機的首要部分。當點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)化為相應的電流，進而通過數(shù)模轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)字量輸出。通過照射在光探測器上的光強隨它與光源間距離的變化情況，總結(jié)出點光源的光強與距離的數(shù)學關系，進而驗證點光源照度與距離之間的關系。3 計算機在實驗中的應用舉例3.1 單擺的運動用單擺測定重力加速度實驗中的周期公式 只是一個近似公式，只有當幅角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。則當幅角為時，單擺振動周期的精確度應為 0.0001s ， 式中。如果取二級近似，那么振動周期可表示為:, 當角度小于3度時，可以認為T=T0,又因為2T與成線性關系

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，可進行線外推，當角度趨于零時，即可獲得截距T0，從而得到幅角為零時的周期。實驗中首先進入單擺實驗界面，選擇“小擺角測量重力加速度”界面，從實驗界面可以看出，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，在實驗界面上設置好擺長參數(shù)。選擇好測量點，并點擊“開始測量”按鈕，擺動擺球，系統(tǒng)將從第三次過平衡位置時，開始計數(shù)及計時。點擊“停止測量”按鈕即可停止計數(shù)及計時，系統(tǒng)將自動計算出單擺的周期。同一擺長情況下測量三個周期來求其平均值。調(diào)節(jié)不同擺長進行實驗測量完成后，設置好需要進行數(shù)據(jù)處理的點數(shù)，只能是1-10的數(shù)。點擊“描點”按鈕

7、，系統(tǒng)將需要的數(shù)據(jù)描繪在坐標圖中。分析數(shù)據(jù)，得出斜率，截距，相關系數(shù)等結(jié)果，最后求出重力加速度點擊進入“大擺角測量重力加速度”界面，進行下一個大擺角重力加速度實驗，擺長可取大些值。設置好單擺擺角，并使單擺擺動的擺角和設置的擺角對應。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驗時一樣。根據(jù)需要可測量多個點后，同一擺角測量重力加速度的方法一樣進行數(shù)據(jù)處理，完成大擺角測量重力加速度實驗后，點擊“退出”按鈕，退出單擺實驗。當角度為3度時，對應不同的擺長時：周期與擺長關系擺長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)進行描點與線性擬合，可得斜率為3.9465，截距為0。0229，相關系數(shù)0.9999，從而得其重力加速度為10.0034.其圖像：其相關系數(shù)遠大于線性關系顯著的標準當擺長為60cm時，不同的的角度對應的周期2T與m關系 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，相關系數(shù)0.9999，從而得其重力加速度g

9、=10.0034。其相關系數(shù)遠大于線性關系顯著地標準從而可得其圖像為：數(shù)據(jù)處理：利用運動方程可得單擺的周期與幅度的關系為：, 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：實驗中存在著系統(tǒng)誤差與隨機誤差，在實驗中擺動擺球時的角度可能存在一定的偏差。3.2 研究點光源的光照度與距離的關系當點光源在某一方向上元立體角d內(nèi)傳送出的光通量為dF,則該點光源在給定方向上的發(fā)光強度為：發(fā)光強度在數(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。假設點光源O至元面積dS的徑

10、向量為r，并且點光源發(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)光點所張的元立體角為：在此元立體角由點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.設置好點光源和光探測器的距離，點擊“采集數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)將開始采集信號，1s以后即可點擊“獲取數(shù)據(jù)”按鈕獲取采集數(shù)據(jù)，每個測量點測量三次，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，點光源和光探測器的距離改變1mm,注意距離的變化方向。重復上一步驟的內(nèi)容10個點測量完后，點擊“描點”按鈕，系統(tǒng)將自動描繪出每個測量點的光照度對應電壓U的平均值和之間的關系。點擊“直線擬合”按鈕對10個測量點的數(shù)據(jù)進行直線擬合。得出數(shù)據(jù)擬合的相關系數(shù)等結(jié)果并求得經(jīng)驗公式。需要保存實驗數(shù)據(jù)時，即點擊“保存數(shù)據(jù)”按鈕，系統(tǒng)會把光照度和距離的關系數(shù)據(jù)保存下來，并保存在計算機C盤中。由此測得相關數(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 ，相關系數(shù)：0.999674。數(shù)據(jù)處理：利用相關公式 ,可得出其數(shù)據(jù)符合經(jīng)驗公式 。誤差分析：在實驗的過程中存在著系統(tǒng)誤差與隨機誤差。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。即由上可得點光源在元面上所產(chǎn)生的光照度與光源的發(fā)光強度成正比，與距離的平方成反比。4實驗總結(jié)：計算機作為一種測量儀器，在物理實驗中有著其他計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，計算機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確測量的，而且它能在準確的相位處開始或停止實驗，從而大大提高了測量的準確度，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，使實驗內(nèi)容更加豐富多彩。計算機在記錄數(shù)據(jù)的同時，也清晰地反映出其相關圖像，以及各相關的實驗參數(shù)，