[0002] 重力加速度(Gravitational?acceleration)是物理學中一個十分重要的物理量，它是指一個物體受重力作用的情況下所具有的加速度。也叫自由落體加速度，用g表示，方向豎直向下。由于受地球自轉的影響，同一緯度，不同海拔高度地區(qū)的重力加速度稍有差異；同一海拔高度、不同緯度地區(qū)的重力加速度也不是完全一致的。因此重力加速度的測定對理論、生產(chǎn)和科學研究均具有重要意義。
[0003] 目前高中物理實驗中測量重力加速度常用的方法有單擺法，打點計時器法、斜槽法等。在“用單擺測定重力加速度”的實驗中,安裝實驗裝置后，測得單擺的擺長為L，然后讓小球在豎直平面內小
角度擺動。當小球某次經(jīng)過最低點時開始計時，在完成N次全振動時停止計時，測得時間為t。單擺的周期為 根據(jù)擺長周期 可得 但是單擺實驗不可避免的會出現(xiàn)兩個問題：擺長的測量中，受擺球質心難以確定的影響，獲得準確的擺長值較為困難；測周期時，由于是人工操作秒表開始或停止計時，會出現(xiàn)超前或滯后計時的情況，存在較大的計時誤差。在阻力很小的情況下，物體只受重力的作用從靜止開始下落的運動，是一種自由落體運動,其加速度即為重力加速度。打點計時器和斜槽法都是利用測出物體下落的位移與時間，則可利用勻變速直線運動的規(guī)律求出重力加速度，但是
摩擦力、
空氣阻力會給測量結果帶來誤差并且操作復雜，
數(shù)據(jù)處理繁雜。
[0004] 近年來，基于現(xiàn)有的研究方案與成果，結合DIS系統(tǒng)提出一種測量重力加速度的方法，現(xiàn)在市面上有用某儀器公司生產(chǎn)的實驗儀器做此實驗的，但是摩擦力仍有較大的影響，且不太適合讓高中學生來自己動手做，原因是該實驗過程太依賴于
傳感器、計算機這些
電子設備，它們就像一個黑匣子，學生即使不太能理解整個實驗的原理也能將實驗做完，這不利于學生探究高中物理實驗的本質，并且用擋光片的平均速度代替瞬時速度也會影響測量的結果。所以目前急需一個儀器來測量重力加速度：它必須操作簡單、易實現(xiàn)，且具有創(chuàng)新性，還能夠讓學生比較容易掌握其中的原理和物理知識。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種重力加速度測試儀，結合高中化學和物理學科相關知識從創(chuàng)新性的非靜力學角度出發(fā)研制的一款可以簡單、直觀、準確的測量重力加速度的新型儀器。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：
電流垂直于外
磁場通過液體
電阻時，導電液體在
電磁場中受到安培力，那么載流子會發(fā)生偏轉，使溶液整體向受力方向移動，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生一附加壓強，從而在連通器的兩側產(chǎn)生液面差；當液面差穩(wěn)定時液體壓力和安培力平衡，這時讀出左側刻度為h1和右側刻度h2得到高度差h＝|h1-h2|,即產(chǎn)生重力差。重力差G＝mg＝ps＝ρghad與安培力F＝BIa相等時液面差保持穩(wěn)定，通過這一關系可以定量的計算出當?shù)氐闹亓铀俣却笮?/div>
[0007] 與
現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：
[0008] (1)通過調節(jié)穩(wěn)恒直流電源，改變電流大小或者通過改變磁
鐵數(shù)目改變磁感應強度從而改變連通器兩端的液面高度差，高度差就反映了重力差，根據(jù)公式進行計算即可得到實驗當?shù)氐闹亓铀俣龋p刀雙擲
開關能切換純
銅片
電極的極性，反向
鍍銅，使液面由左高右低變?yōu)樽蟮陀腋呋蛘哂勺蟮陀腋咦優(yōu)樽蟾哂业停捎秒娏鞯膶ΨQ測量法消除各種熱電和熱磁副效應，測量結果更準確；記錄每次產(chǎn)生的高度差，帶入計算公式，進行計算，得到當?shù)氐闹亓铀俣?，測量結果更準確；
[0009] (2)本發(fā)明是結合初高中化學和物理學科相關知識創(chuàng)新性的從非靜力學角度出發(fā)研制的一款可以簡單、直觀、準確測量重力加速度的新型儀器；減小了傳統(tǒng)時間、距離測量儀器的測量誤差，用結合連通器以及電磁原理使液體電阻在連通器內產(chǎn)生高度差來反映重力，克服了傳統(tǒng)儀器中摩擦力的影響；
[0010] (3)本發(fā)明所涉及的原理簡單，涉及知識面廣泛，本儀器的原理涉及到初高中
電磁學、力學、連通器以及電化學的相關知識，簡單明了，符合普通高中生普遍的認識
水平，且具有一定的探究性；
[0011] (4)本發(fā)明利于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，把創(chuàng)新實驗和物理教學有機融合有利于激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和調動學生的創(chuàng)新熱情；然后，可操作性強，易于老師演示以及中學生自己動手操作，經(jīng)過多次驗證，其誤差在0.6％左右，大大提高了測量重力加速度的
精度，測量結果與公認標準非常的接近；
[0012] (5)相比于數(shù)字化實驗本發(fā)明儀器更體現(xiàn)物理思維，學生從實驗過程中掌握、運用了物理知識；本儀器對測量手段處理也進行了創(chuàng)新。
[0013] 進一步的，本發(fā)明采用
硫酸銅作為液體電阻，同時采用純銅作為電極，在發(fā)生電化學反應時不產(chǎn)生氣體，而且結合雙刀雙擲開關能使兩個電極反向鍍銅，延長電極使用率，硫酸銅溶液為藍色，液面變化更明顯，觀察液面更加清楚。
[0014] 進一步的，絕緣連通器采用無色亞克力板制作，便于觀察液體的變化。
[0015] 進一步的，液體通道上設置放大透鏡，絕緣連通器兩側上部液體通道的間距小于下部液體通道的間距，對比更加明顯，有利于清楚而且快速觀察液面所在的刻度。
[0016] 進一步的，絕緣連通器的底部設置有
支架和底座，支架設置在底座上方，雙刀雙擲開關以及穩(wěn)恒直流電源均設置在底座上；底座采用多孔平臺，裝置的組件可以實現(xiàn)模
塊化安裝，有利于提高實驗平臺的使用率，節(jié)省成本，而且能進一步提高學生對裝置的認識。
附圖說明
[0017] 圖1為本發(fā)明結構主視示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明側視圖。
[0019] 附圖中，1-恒流源
電壓電流讀數(shù)顯示屏，2-電流粗調旋鈕，3-電流微調旋鈕，4-電源開關，5-負極
接口，6-接地端，7-正極接口，8-
導線，9-固定按鈕，10-長方形
磁鐵，11-支架,12-銅片,13-雙刀雙擲開關，14-硫酸銅溶液，15-絕緣連通器，16-放大透鏡，17-木架，19-電壓微調旋鈕，18-電壓粗調旋鈕。
具體實施方式
[0020] 下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
[0021] 以下給出本發(fā)明儀器的具體實施詳例，需要說明的是本發(fā)明儀器并不局限于以下具體實例，凡在本
申請技術方案
基礎上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護范圍。
[0022] 如圖1所示，重力加速度測試儀，包括長方形磁鐵10、絕緣連通器15、穩(wěn)恒直流電源1以及雙刀雙擲開關13，絕緣連通器15包括兩個對稱設置的液體通道，所述液體通道在絕緣連通器15的下部連通，液體通道上部沿豎直方向設置，液體通道底部水平設置，絕緣連通器
15的底部水平段內設置有兩個電極，兩個電極分別設置所述水平段的頂面和底面；液體通道中設置有液體電阻；絕緣連通器15的下部設置有兩塊長方形磁鐵10，長方形磁鐵10的磁場方向垂直于液體通道中液體的流動方，向雙刀雙擲開關13正
接線柱和負接線柱分別通過導線8與穩(wěn)恒直流電源1正負極連接，絕緣連通器15的兩個電極連接雙刀雙擲開關8的正接線柱和負接線柱。
[0023] 穩(wěn)恒直流電源1上設置有電流粗調旋鈕2、電流微調旋鈕3、電源開關4、負極接口5、3
接地6以及正極接口7；液體電阻采用硫酸銅溶液，
密度為ρ＝1.096g/cm ，電極采用純度不低于99.9％的純銅片；絕緣連通器15采用無色亞克力板制作；絕緣連通器15的兩側均設置有刻度，刻度的最小值為1mm。
[0024] 絕緣連通器的底部設置有支架11和底座，支架11設置在底座上方，雙刀雙擲開關13以及穩(wěn)恒直流電源1均設置在底座上。
[0025] 本發(fā)明的底座采用多孔平臺采用多孔平臺有助于實現(xiàn)多孔平臺上進行自由組裝，而且還能提高學生的實驗興趣和熱情，并且大大提高儀器和實驗室平臺使用率，降低設備重置率。
[0026] 本發(fā)明所述長方形磁鐵10優(yōu)選采用強磁鐵，具體用釹鐵
硼強磁鐵。
[0027] 用亞克力板制作絕緣連通器15；絕緣連通器15厚度a＝1cm，寬度d＝1cm，長度b＝5cm，絕緣連通器15的兩側等高處標有刻度用來測量兩側的高度差，在絕緣連通器15底部前后方向設置有長方形磁鐵10，長方形磁鐵的尺寸為43mm×8mm×3mm，提供恒定的磁場環(huán)境，絕緣連通器15底部水平段中裝有純度不低于99.9％的銅片作為電極，所述電極裝在水平段的頂面和底面，銅片的尺寸43mm×8mm×3mm，絕緣連通器15的底部開設導線孔，銅片上引出兩根導線連接雙刀雙擲開關13，絕緣連通器15的導線孔采用絕緣膠體進行密封，通過切換雙刀雙擲開關13就能改變銅片12電極的正負極；將穩(wěn)恒直流電源接在雙刀雙擲開關另一端，在絕緣連通器15中加入硫酸銅溶液，所述硫酸銅溶液的密度為ρ＝1.096g/cm3，作為液體電阻；整個儀器置于水平面待穩(wěn)定后，由連通器原理可知，絕緣連通器15兩側液面高度處在同一水平面上，閉合開關接通電源，電流垂直于外磁場通過液體電阻時，導電液體在電磁場中受到安培力，那么載流子會發(fā)生偏轉，使溶液整體向受力方向移動，在垂直于電流和磁場的方向產(chǎn)生一附加壓強，從而在連通器的兩側產(chǎn)生液面差；當液面差穩(wěn)定時液體壓力和安培力平衡，這時讀出左側刻度為h1和右側刻度h2得到高度差h＝|h1-h2|,即產(chǎn)生重力差。
重力差G＝mg＝ps＝ρghad與安培力F＝BIa相等時液面差保持穩(wěn)定，通過這一關系可以定量的計算出當?shù)氐闹亓铀俣却笮?其中，磁感應強度B可以用高斯計精確測量，電流通過穩(wěn)恒直流電源準確讀取，將已知硫酸銅溶液的密度ρ以及連通器的厚度d＝10mm帶入公式中，就可以得到重力加速度g與連通器兩端液面高度差h的關系。
[0028] 穩(wěn)恒直流電源的量程為“30V,5A”；型號為JS305D。
[0029] 通過調節(jié)穩(wěn)恒直流電源，改變電流大小或者通過改變磁鐵數(shù)目改變磁感應強度從而改變連通器兩端的液面高度差h，將讀取的高度差h帶入公式 就可以準確的求出重力加速度。
[0030] 規(guī)格為“30V，5A”的穩(wěn)恒直流源提供穩(wěn)定的電流輸出，隨著電流的改變會自動調整匹配的電壓，而且最高電壓為30V，處于安全電壓范圍。
[0031] 絕緣連通器15中加入密度為1.096g/cm3的硫酸銅溶液，作為液體電阻，用銅片12做電極
電解硫酸銅溶液，閉合雙刀雙擲開關13接通穩(wěn)恒直流電源1，容器內就會發(fā)生
氧化還原反應，
陰極上的銅會被電解，
陽極上會有絮狀的精銅析出，銅做電極電解硫酸銅溶液方程式為：陰極：Cu2++2e-＝Cu陽極：Cu-2e-＝Cu2+，電解過程中不會產(chǎn)生氣泡，這樣就避免了對實驗的影響，實驗效果也比較明顯。
[0032] 雙刀雙擲開關13可以切換純銅片電極的極性，反向鍍銅，使液面由左高右低變?yōu)樽蟮陀腋呋蛘哂勺蟮陀腋咦優(yōu)樽蟾哂业停捎秒娏鞯膶ΨQ測量法消除各種熱電和熱磁副效應，測量結果更準確；記錄每次產(chǎn)生的高度差，帶入公式，進行計算，得到當?shù)氐闹亓铀俣?，測量結果更準確。
[0033] 本發(fā)明還設置了底座及展示面板，使儀器更加方便觀察和測量，而且更加美觀。
[0034] 絕緣連通器15中加入密度為1.096g/cm3的硫酸銅溶液14，作為液體電阻；用銅片12做電極電解硫酸銅溶液，閉合雙刀雙擲開關13接通穩(wěn)恒直流電源，絕緣連通器15內就會發(fā)生
氧化還原反應，陰極上的銅會被電解，陽極上會有絮狀的精銅析出，銅做電極電解硫酸銅溶液方程式為：陰極：Cu2++2e-＝Cu陽極：Cu-2e-＝Cu2+；雙刀雙擲開關13可以切換純銅片電極的極性，反向鍍銅，使液面由左高右低變?yōu)樽蟮陀腋呋蛘哂勺蟮陀腋咦優(yōu)樽蟾哂业?，采用電流的對稱測量法消除各種熱電和熱磁副效應，測量結果更準確；記錄每次產(chǎn)生的高度差，帶入公式，進行計算，得到當?shù)氐闹亓铀俣?，測量結果更準確。
[0035] 最后設計了底座及展示面板，使教具盡量美觀，方便觀察測量。
[0036] 實驗操作步驟如下：
[0037] 1.將制重力加速度測試儀與底座安裝上，保持平穩(wěn)；
[0038] 2.在絕緣連通器15內加入密度為1.096g/cm3的硫酸銅溶液14，達到穩(wěn)定的液面高度；
[0039] 3.打開雙刀雙擲開關13，連接
電路，在接通開關前穩(wěn)恒直流源的電流和電壓均調零；
[0040] 4.向某一側閉合雙刀雙擲開關10，先轉動電壓粗調節(jié)旋鈕19和電流粗調節(jié)旋鈕2緩慢增大電流電壓，先增大電壓少許，然后升高電流，當電壓不足以提供所需電流時再增大電壓少許依次反復調節(jié)，，然后調節(jié)電壓微調節(jié)旋鈕18和電流微調節(jié)旋鈕3直到達到所需電流直到絕緣連通器15兩側出現(xiàn)明顯的液面高度差；
[0041] 5.通過透鏡放大裝置16記錄電流值I和產(chǎn)生的高度差h；
[0042] 6.將雙刀雙擲開關13合向另一側，重復步驟4和步驟5，采用電流和磁場的對稱測量法進行實驗，記錄每次產(chǎn)生的高度差和電流值；
[0043] 7.將已知的B、ρ、d和測量得到的I、h數(shù)值帶入公式 即可求出重力加速度。
[0044] 8.最后進行誤差分析。
[0045] 相關參數(shù)如下為：重力加速度：g；連通器左右長度：b；連通器前后寬度：d；兩銅極板間距離:a；磁感應強度：B；電流：I；液體壓強：P；反應區(qū)橫截面積：S＝ad；
[0046] 導電液體受到的安培力在液體中產(chǎn)生的附加壓強為p，則：
[0047] 安培力F＝ps＝pad＝ρghad；
[0048] 又根據(jù)安培力公式可得F＝IBa；
[0049] 聯(lián)立得重力加速度
