张步元

(埭溪中学,浙江湖州313023)

朗威数字化信息系统实验室V6.0位移传感器的局限性

张步元

(埭溪中学,浙江湖州313023)

尝试用DISlabV6.0位移传感器在不同条件下测量重力加速度,实验显示:测量结果与实际值之间差异较大.在现有可行的实验条件下,DISlabV6.0位移传感器不适合定量地测量重力加速度.

位移传感器;重力加速度;DISlab

1 引 言

朗威数字化信息系统实验室V6.0位移传感器利用超声波来测位移,经数据采集器,通过与计算机连接,可实时测量和显示位移数值和位移随时间的变化规律,对需动态测量位移值,绘制位移-时间图像带来了极大方便.笔者试图通过位移传感器定量测量当地重力加速度,将实验数据导入Excel,处理得出结果,但实验结果与实际值差异较大,说明朗威数字化信息系统实验室V6.0位移传感器在测重力加速时存在局限性.

2 用位移传感器测重力加速度

实验所需仪器为:DISlab,铁架台,重锤,水平轨道,实验小车,钩码(50 kg),减震回收装置,天平,计算机.

2.1 将实验数据导入Excel处理得出的结果

在物体自由下落的过程中,利用位移传感器测出在相同的时间里物体下落的位移s,利用s/ Δt=v,Δv/Δt=g,把比较g与浙江省湖州市公认量力加速度g0=9.74 m/s2.

首先做估算:把位移传感器的采样间隔时间设定在0.02 s(1个周期的时间),要能保证采到5个有效点,最小的时间是0.1 s,那么位移传感器接收器端口到减震回收装置端口的高度要比H= g0T2/2=0.05 m大就可以了.实验操作过程中H高度在1 m左右.实验数据见表1.

表1 采样间隔时间0.02 s计算表格数据

通过分析表1中的数据发现:1)速度的变化无规律,有些数据显示增量为负数.这不符合匀加速运动的实际情况.2)多数测得加速度的值都比g0大,有很多组的数值大得出奇,这是违反常理的,由于实验过程中存在着空气的阻力等因素,测出的重力加速度应该比g0小才符合规律.出现这样错误起先笔者怀疑是操作中人为造成的,为了减少系统误差,在位移传感器的发射器上沿重心安装一个重锤做同样的实验,以降低位移传感器发射器的重心,尽量减少在下落过程中的偏离,结果大量的数据表明,上述问题依然存在,显然采取减小系统误差的方法是解决不了问题的.

笔者考虑到是不是由于自由落体的加速度大,在短时间里能达到较大的速度,系统的采样效果对速度是不是过于敏感呢?对这点,可以在水平直轨道上来验证,实验中只挂1个钩码时加速度就不大,速度的变化也不大.

计算小车的理想加速度:用天平测出小车连同位移传感器发射器的质量M=231.10 g,a= M钩码g/(M+M钩码)=1.95 m/s2.在多次实验的数据中任意选其1组,如表2所示.

表2 水平轨道采样间隔时间0.02 s测量和计算的数据

实验数据要比理想数据大,如考虑实验误差,实验数据应比理想数据小.显然速度不是带来这种错误的原因.放大采样间隔时间,做同样的实验,再比较结果.Δt=0.05 s,则H=g0T2/2= 0.31 m.所有数据显示,2个错误还是存在.

当Δt=0.1 s时,则H=g0T2/2=1.25 m.实验结果在10 m/s2

通过上述的实验证明,位移传感器对数据的传输频率是固定在10 Hz以下的,并不是随采样时间的设定而变的,所以在0.1 s以下的设定采样时间间隔上就会出现不匹配的现象,数据会出现紊乱.这样就证明了用位移传感器测数据导入Excel处理数据的方法是得不到理想的结果的.

2.2 将实验数据用图像法处理得出的结果

笔者分别把采样频率为50 Hz,20 Hz,10 Hz下的数据用图像法处理,通过选择有效区段、二次多项式拟合、求导,得出3种情况下g的值都在10 m/s以上(g0附近).图1是频率为20 Hz时的实验图像(g=10.24 m/s-2).

图1 采样频率为20 Hz时的实验图像

通过这样的方法,在3个采样频率下得出的重力加速度值很接近g0,这说明采样频率和传输频率是基本匹配的,遗憾的是,数据总是比g0大,作为定量测量,这样的方法还是不理想的.然而它有一个其他方法无法替代的优点,就是测得的s-t图与二次拟合的曲线能够很好地吻合,并能对得出的二次函数求导,得出一条直线,从直线方程中得到加速度值,这就非常直观地证明了做匀变速运动的物体其位移和时间的关系、速度和时间的关系与运动学的公式完全相符.

3 结束语

总之,朗威数字化信息系统实验室V6.0用位移传感器不能用来定量测量加速度,只能用来定性证明运动学公式,粗略地估测加速度值.

Limitations of V6.0 displacement transducer of DISlab in measuring gravitational acceleration

ZHANG Bu-yuan
(Daixi Middle School,Huzhou 313023,China)

Gravitational acceleration is measured using V6.0 displacement transducer of DISlab. The experimental data show that there is a large difference between the measured value and the actual value.Under practical experimental conditions,V6.0 displacement transducer of DISlab is not suited to quantitative gravitational acceleration measurement.

displacement transducer;gravitational acceleration;DISlab

G633.7

A

1005-4642(2010)09-0022-02

[责任编辑:尹冬梅]

2010-03-17

张步元(1965-),男,浙江湖州人,埭溪中学一级教师,学士,从事高中物理教学工作.