1物理摆结题报告

《物理摆的实验研究及实验 课题的开发》结题报告

( 2003.11.19 )

项目组成人员:肖森波 李臣宇 闫铮 冯曦

项目负责人：肖森波

指导老师：李训谱（副教授） 专业：2000级应用物理科学与技术

物理摆的实验研究及实验课题的开发

项目组成人员:肖森波 李臣宇 闫铮 冯曦

项目负责人：肖森波

指导老师：李训谱（副教授） 专业：应用物理科学与技术2000级

一．项目的研究目的及意义

物理摆实验是物理实验中一类重要的实验课题，它可以通过振动来揭示很多物理规律，再现物理现象。随着科技的进步，传统的物理摆实验装置已远远不能满足高精度，多角度和直观方便的要求。本项目即从我院演示实验教学改革的需要出发，以开发演示实验课题为主要目的，将前沿的科学技术引入物理摆实验，以弥补传统实验中的不足。并将开发的课题应用于面向全校文理科学生的校公选课及基地班精品课等教学中，以期在培养学生的创新精神、实验动手能力、观察和分析能力等方面获得更好的教学效果。

本项目引进了美国先进的PASCO实验仪器，利用旋转移动传感器的特殊性能，通过实验开发和组装调试，可以形成多种多功能实验装置，以完成一系列有关刚体转动和物理摆的演示实验，达到配合和改进我院演示实验教学的目的。

该实验装置设计合理、操作方便、内容丰富、饶有趣味。其数据采集和图像显示都是通过接口和计算机实时进行，技术手段先进，物理图像直观，十分适合于演示实验教学。通过本项目的研究可以进一步扩大和丰富物理摆的教学内容，学习新的测量手段，开阔知识视野，掌握用计算机完成物理实验的方法和技能，进而可以在教学中加强对学生创新精神、综合能力和科学素质的培养，全面提高教学质量。

二．项目的详细内容

(一).实验仪器和软件的开发 本项目的核心技术在于旋转移动传感器性能的研发和应用，并借助750接口将采集的数据输入电脑，再利用 PASCO “科学工作室”软件将数据记录处理并以图像等形式输出。

以下就本项目所应用到的主要仪器、软件及相关内容作简要介绍。 1．旋转移动传感器（Rotary Motion Sensor）

旋转移动传感器可以在很多动力学实验中用于位置和速度的测量。它在线性移动测量中最多仅存 在0.055 mm的误差，在角度测量中最大误差也只有 0.25。同时，旋转移动传感器进行的是双向测量，也就是说，它可以同时记录物理量的大小和方向。由双列滚珠轴承固定的一根直径6.35mm的横轴穿过旋转移动传感器中心，构成一个进行旋转移动实验的理想平台。传感器后部的固定孔和固定螺钉，可以从三个方向固定传感器，使传感器可以方便地在实验中调整位置，达到理想状态。传感器上的三阶滑轮为转动实验提供了三个不同的力臂，拉力加到三阶滑轮上将形成不同的力矩，使实验更加方便。 2．力传感器（Force Sensor）

力传感器是一个十分理想的力测量器。同样，它只进行数据采集，数据的记录则由电脑完成。力传感器可以忽略不在测量轴线上的侧向力，同时提供更为精确的读数。他的测量范围为 -50N～+50N，误差为0.03N，可以应用于大多数物理实验。力传感器具有以下特点：

⑴平衡纽扣可以消除测量小钩重量的影响，减小测量误差。

⑵机械自停特性可以在测量超出测量范围时自动停止，防止仪器损伤。 ⑶特定的外形可以使力传感器十分容易地固定在其他仪器上，如碰撞小车。 3．750接口（750 interface）

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750接口是实验线路中的中继站。它的作用是将传感器收集的模拟信号转化成电脑能够识别的数字信号，并将数字信号进行放大，最后传入电脑。

科学工作室750接口集合先进工艺和高级技术于一体,具有如下特点：

⑴为了提高简域（simple field）效果采用了高速电子可编程只读存储器（EPROMS）和可编程场选通阵列（FPGA）。

⑵允许直接存取的双重RAM 接口，提供了更快的数字传输速率。 ⑶半精简指令集32MHZ微处理机。 ⑷8倍率过采样技术。

⑸箱内装有多层集成电路板。 ⑹机箱上装有活动SCSI终端。

750接口不仅仅是一个接口，它还是一个物理实验室真正的测量中心。

PASCO公司的750接口和新的数字工作室软件可以成为近代的物理实验室的测量中心。只要

你的电脑装上软件，就可以用来测量以下物理量：力、时间、温度、压强、直线斜率、加速度、光、电压、电流、磁场、辐射等。接口技术已经不再仅仅用来做力学测量了，它还可以用来做光学、波动、声学、电子学、核物理、热力学等测量。

4．科学工作室（Science Workshop）

实验中所用的数据处理软件是PASCO公司提供的科学工作室（Science Workshop）。该软件模拟实物操作，功能强大，同时应用十分方便。

科学工作室用象形图标表示各种接口和插头。按照实物连接图一次将各个插头用鼠标拉入接口，按照自己的要求选择参数，即可开始实验数据采集与分析。

如旋转移动传感器已经通过750接口连接电脑，可以按照以下步骤完成软件准备：

⑴在主窗口中用鼠标将插头的图标拉入主窗口上方750接口模拟图标的4个数据接口中的任一个。

⑵在以下弹出窗口中选择实验应用到的旋转移动传感器。用鼠标点击确定。在继续弹出的窗口中选择“分格/旋转”参数。选定后点击确定。“分格/旋转”即表示旋转移动传感器中心每旋转一周数据采样的点数，如若选择1440，表示旋转移动传感器中心旋转一周采样数据的点数为1440个。

⑶接下来实验操作人员可以任意选择数据的表达方式。如果要将电脑记录的数据采用表格表达出来，可以将表格的图标用鼠标拉入刚才插头拉入的模拟接口。如若想用图像显示实验效果，则应把图像图标拉入模拟接口。并在弹出的窗口中选择图像坐标纵轴所要表示的物理量。图像显示的横坐标默认为表示时间，可以更改纵坐标表示的物理量，如改为角速度等。横坐标表示的物理量同样可以更改。图像坐标轴旁边的空白处点击鼠标右键，在弹出的窗口中可以改变坐标表示范围。

⑷在主窗口左上方有三个按钮。其中记录按钮，用鼠标点击后，电脑将开始记录数据。停止按钮点击后停止数据记录，数据即被保存在软件的根目录。第三个按钮为测试按钮，用鼠标点击后，电脑将用图像显示数据，但不作任何记录，点击“stop”按钮后，数据不保存。

⑸主窗口中的力传感器按钮是力传感器的模拟插头。传感器连接在750接口的模拟信号接口上。所以软件模拟时应该把力传感器的模拟插头拉到模拟信号接口A、B或C上。当在科学工作室主窗口中将力传感器的模拟插头拉入模拟750接口的模拟信号接口时，在弹出的窗口中应该选择力传感器。在主窗口中用鼠标双击力传感器图标，即可以对力传感器的各项参数进行调整，以满足实验的要求。

科学工作室还有一些其他的功能，如可以对数据图像进行数学方程适配，图像标尺，局部放大，实验记录等多媒体交互等等。 (二).实验课题的开发

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本项目以开发演示实验课题为主要目的，以PASCO实验仪器为基础，先后开发出了多个实验课题，其中部分课题已整理成实验讲义，在新开设的演示实验公选课等教学中应用。其实验题目的详细内容逐一介绍如下：

1.质点的转动惯量（Rotation Inertia of point Masses）

一. 实验概述

本实验是通过实验得出的数据计算质点的转动惯量,并将此实验得出值与理论计算制作比较.实验原理如下:

若质点质量为M,质点到转动中心的距离为R,则有:

Itotal=MtotalR

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其中Mtotal=M1+M2,即是质点的总质量.

细绳所缠绕的三阶滑轮受力矩为τ,角加速度为α,则有:

? I=

?三阶滑轮半径为r,绳中拉力为T,线加速度为a,

??rT ??ar

根据牛顿第二定律∑F=mg?T?ma有:

T?m(g?a)

由以上各式得:

I ?rm(g?r?)?

二. 实验仪器

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Science Workshop 750 接口; 旋转移动传感器(CI-6538);小旋转配件(CI-6691);砝码; 基底及支架(ME-9355);细绳. 三. 实验组装

(1).将小金属环固定于横杆两端，确保两金属环到杆中心距离相等。

(2).将细绳的一端系于旋转移动传感器三阶滑轮处。 (3).将横杆固定在旋转移动传感器滑轮上。 (4).将旋转移动传感器固定于支架上.

(5).将带夹滑轮固定于旋转移动传感器。

(6).将细绳绕过带夹滑轮，在另一端系上50克砝码。 四．实验步骤

（1）.建立Science Workshop。

1．将窗口里,拖入数码式通道1和2，在弹出窗口里选中旋转移动传感器，点击“确定”

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(如图)。

2.在弹出窗口中的“分格/旋转”处选为“360”，将“线性调教”处选为“中滑轮”,点击“确定”如图:

3. 点击表格图标击“显示”(如图)。

和图表图标

，将其拉到数码插口上，在弹出窗口中选择“角速率”，点

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