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(tǒng)MS-1是連續(xù)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(shù)計時毫秒計的改造升級，實現(xiàn)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(shè)新的實驗內(nèi)容，提高精度，大大減少學生的手工計算工作量。

關(guān)鍵詞：單擺；計時儀；隨機誤差統(tǒng)計規(guī)律；計時芯片

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

1 研究依據(jù)

1.1 研究GM-1型新單擺實驗儀的目的

通過對MS-1計數(shù)計時毫秒計的改造升級，實現(xiàn)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(shè)新的實驗內(nèi)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(tǒng)MS-1是連續(xù)累計記錄多個周期的總時間，其精度為1‰秒。

在開設(shè)《隨機誤差統(tǒng)計規(guī)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(guī)律。過去是采用秒表手工計時，精度在1%秒，且數(shù)據(jù)分布比較分散，學生實驗效果較差。如果利用MS-1計時系統(tǒng)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?，F(xiàn)擬將這一計時系統(tǒng)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(tǒng)計規(guī)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(xiàn)狀分析

通過對實驗儀器的使用，基本了解了該計時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、使用方法，以及該計時系統(tǒng)對開設(shè)新實驗內(nèi)容存在的問題和不足。對該計時系統(tǒng)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(nèi)容、目標，擬解決的關(guān)鍵問題

（1）具體研究和改革內(nèi)容：對MS-1計數(shù)計時毫秒計進行改造升級，主要是對計時系統(tǒng)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(chǔ)上，同時實現(xiàn)記錄時間間隔的功能。

（2）具體研究目標：實現(xiàn)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(shè)《隨機誤差統(tǒng)計規(guī)律的研究》實驗。

（3）擬解決關(guān)鍵問題：關(guān)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(chǔ)，對一臺MS-1計數(shù)計時毫秒計進行“解剖”，進一步了解計時系統(tǒng)的詳盡結(jié)構(gòu)和原理。購買相應(yīng)的計時芯片，進行編程實驗，實現(xiàn)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(shù)）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(jīng)驗和科研能力，具有較強的計算機編程經(jīng)歷和能力。2）物理實驗室現(xiàn)有MS-1計數(shù)計時毫秒計15臺，除了保障正常的教學任務(wù)，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(zhì)、保量完成立項任務(wù)。3）改造升級計時系統(tǒng)的芯片，根據(jù)任務(wù)的要求購買，然后根據(jù)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?qū)崿F(xiàn)MS-1計數(shù)計時毫秒計在保證原有功能的基礎(chǔ)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(shè)更多的實驗。

（2）實施范圍，學生受益數(shù)：山東英才學院理工科學生，重點是機械學院各專業(yè)學生，學生數(shù)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(zhì)量。

2.4 項目的特色與創(chuàng)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(shù)據(jù)對比

本研究針對《隨機誤差統(tǒng)計規(guī)律的研究》實驗為例，對改造前數(shù)據(jù)和改造后數(shù)據(jù)進行對比。

改造前數(shù)據(jù)：

實際顯示的時間為擺球每次經(jīng)過霍爾傳感器所需時間總共的時間Tn。

記錄數(shù)據(jù)為單擺擺動一個周期所需時間T，T=Tn-Tn-2。

改造后數(shù)據(jù)：

實際顯示的時間為擺球一次經(jīng)過霍爾傳感器所需時間即半個周期的時間Tn。

記錄數(shù)據(jù)為單擺擺動一個周期所需時間T， T=Tn+Tn-1。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以看出：如果利用MS-1計時系統(tǒng)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?，F(xiàn)擬將這一計時系統(tǒng)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(tǒng)計規(guī)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：

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

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[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(shù).

作者簡介： 楊榮敏（1980-），女，碩士，講師。