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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

在高中物理实验中，重力加速度测量实验是一个十分经典的实验，可以十分方便地将理论与实践相结合，是巩固学生课堂理论知识，锻炼测量实验操作能力和独立思考研究能力的一个经典实验，其测量方法之繁，测量方式之精彩广受广大师生的青睐。与此同时，重力加速度这个物理量本身也是基础物理学研究中的重要指标之一。其值的精确测量在地球重力场物理学、指标计量研究、三维空间探索、重力场探矿、环境监测、地质研究、地震预报等相关科研领域有着不可替代的实际应用。

由于重力加速度的数值大小跟质点与地球球心的距离有关，因此所在位置的海拔高度不同或者纬度不同，所测量出的重力加速度也不尽相同。因此，为了能够在不同的地理环境准确地测量出重力加速度的数值大小，一种方便快捷，安全有效和测量精密的一款重力加速度测量设备呼之欲出。

随着电子设备等精密仪器的迅猛发展，许多元器件的性能也更加优越，在大学，学习掌握过许许多多的电子设备之后，回过头来再次深入到高中物理实验中去，利用光电传感器与arduino编程测量重力加速度。

国内外研究现状

在整个高中物理教学研究与实验中，通常是利用单摆法、自由落体法对重力加速度进行测定。单摆法实验方便快捷，操作简单，但是其精度受摆线的微小质量、摆线的轻微形变等因素的影响，一般误差较大。而自由落体运动法的测量更加准确，但是时间是整个测量的关键指标，即使使用秒表，由于人肉眼观察不是十分准确，也会产生误差。而对于在高中最常见的打点计时器测重力加速度的测量方法中，其测量结果也会受到纸带和打点计时器间摩擦、针头和纸带摩擦的影响，从而导致测量结果不精确。

2. 研究的基本内容

本论文设计了一套全新的重力加速度测量系统，实现对重力加速度测量过程中的一些中间变量的采集与处理。首先，应用高中物理知识设计出重力加速度测量原理，然后在小球下落的过程中，利用光电传感器的性能，将小球经过光电传感器时的信号转换为相应时间的电信号，得到小球经过光电传感器的时间，再经过设计的电路后应用arduino板进行相应的处理，极大地克服了单摆法与普通自由落体法因外界因素而导致较大误差的问题。本设计在简化系统的同时也实现了测量误差的最小化，鱼与熊掌兼得，满足了在不同的地理环境方便快捷，安全有效和十分精确地测量出重力加速度的数值大小，并有利于多次独立重复实验，以便后续应用概率论知识对实验数据进行处理，从而进一步减小误差。

本论文设计出一种测量准确的，集计时、参数运算、结果显示于一身的全新智能型重力加速度测量系统。同时可以将高中物理经典实验与大学专业知识学习相结合，可以给予对高中物理实验教学一定的反馈。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：

在自由落体法测量重力加速度的过程中，由于小球下落速度快，通过光电门的时间十分短，直接用肉眼观察将会产生很大的误差。针对这一特点，可以在小球下落的过程中，利用光电传感器的特性，将小球经过光电传感器时的信号转换为相应时间的电信号，得到小球经过光电传感器的时间，实现对时间的精确测量；接着利用电子线路设计与原理设计设计出硬件电路，经pcb设计后印刷出电路板，对光电传感器输出的电信号进行处理并输出到arduino开发板；利用arduino开发板对电信号进行处理，并使用软件编程得出经过光电门的时间，再应用重力加速度计算公式，可求得重力加速度；利用数码管连接arduino开发板，直接显示重力加速度的数值；经过rs485传到pc端，最终重力加速度的数值在pc端显示。

4. 参考文献

[1]蔡睿妍.arduino的原理及应用[j].电子设计工程,2012,20(16):155-157.

[2]单旭晨,唐廷翱,谢庆志,刘书钢.arduino在物理实验中的应用[j].物理实验,2014,34(10):29-31 37.

[3]温美逊,张辉,张晋滔.基于arduino的视力保护仪设计[j].工业控制计算机,2018(12):151-153.