本實用新型涉及一種基于激光測量旋轉(zhuǎn)液體高度差的重力加速度實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

三百多年前，由牛頓等人實驗的水桶實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水桶中的水在旋轉(zhuǎn)時，水會形成漩渦。旋轉(zhuǎn)的液體其表面形狀為一個拋物面，這是由地球的重力引起的。于是我們就可以用這一點測量重力加速度。

在實驗系統(tǒng)中，一個盛有液體半徑為R的圓柱形容器繞該圓柱體的對稱軸以角速度ω勻速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動時，液體的表面形成拋物面。

設(shè)液體未旋轉(zhuǎn)時液面高度為h，液體的體積為：

V＝πR²h (1)

因液體旋轉(zhuǎn)前后體積保持不變，旋轉(zhuǎn)時液體體積可表示為：

由(2)、(3)式得：

設(shè)液面最高處與最低處的高度差為Δh，點(R，y₀+Δh)在液面的拋物線上，即所以推得

將Δh、D、T測出，帶入(4)式求得g。

在原有的旋轉(zhuǎn)液體綜合實驗儀中，利用旋轉(zhuǎn)液體高度差測量重力加速度，實驗儀器在由速度控制調(diào)節(jié)模塊控制的轉(zhuǎn)動平臺上安裝具有上下刻度的透明水桶，旋轉(zhuǎn)速度由測速和顯示模塊控制及顯示讀取，旋轉(zhuǎn)過程中最高點和最低點的高度差由透明水桶上的刻度紙或側(cè)邊支架上的直尺目測讀取。

現(xiàn)有實驗中是根據(jù)肉眼看旋轉(zhuǎn)液體的最凹面和最高處對應(yīng)的刻度線或側(cè)邊支架的直尺讀數(shù)，這樣就會存在兩個明顯的問題。首先，儀器本身精確度不高，讀數(shù)網(wǎng)格是手動貼在水桶上的，網(wǎng)格是否水平并沒有任何校對方式，當(dāng)水桶開始旋轉(zhuǎn)之后，網(wǎng)格的坐標(biāo)線往往不是水平的。其次，實驗現(xiàn)象模糊，肉眼讀數(shù)誤差較大，水桶中的水為透明的，旋轉(zhuǎn)后上下邊界并不十分清晰，且肉眼觀察旋轉(zhuǎn)的東西容易疲勞，而讀數(shù)又是利用數(shù)貼在水桶壁上的沒有數(shù)值的網(wǎng)格，這又給實驗數(shù)據(jù)帶來了極大的誤差，旋轉(zhuǎn)頁面的最低點和最高點判斷困難，坐標(biāo)紙模糊，讀數(shù)誤差很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型為了解決上述問題，提出了一種基于激光測量旋轉(zhuǎn)液體高度差的重力加速度實驗系統(tǒng)，本實用新型利用激光的反射和折射原理精確測量旋轉(zhuǎn)液體的高度差，高度差的讀取可以利用目測實驗現(xiàn)象或讀取激光功率計的讀數(shù)判斷或圖像分析激光亮度獲得，精確度大大提高，進(jìn)而計算重力加速度。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種基于激光測量旋轉(zhuǎn)液體高度差的重力加速度實驗系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速控制模塊、激光器、攝像頭和轉(zhuǎn)動裝置，其中，所述轉(zhuǎn)動裝置包括支架，所述支架上固定有距離測量模塊，所述支架上設(shè)置有沿支架移動的移動模塊，所述支架底端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)托盤，托盤上放置有盛水器，所述轉(zhuǎn)速控制模塊控制旋轉(zhuǎn)托盤旋轉(zhuǎn)，所述移動模塊上放置有激光器，所述攝像頭采集激光穿過盛水器中旋轉(zhuǎn)液體凹液面的激光光路圖像。所述攝像頭連接有處理器，所述處理器接收不同高度的激光出射圖像。

所述支架為絲桿。

所述移動模塊通過調(diào)平螺絲活動固定在絲桿上。

所述盛水器盛裝有透明液體，所述透明液體內(nèi)加入有黑墨水。

旋轉(zhuǎn)過程中，激光光路在水面發(fā)生折射，以判斷最高點和最低點。

所述處理器根據(jù)不同高度激光的出射圖像，獲得紅色通道的總強度，同一組照片的紅色激光強度做歸一化以判斷高度差。

基于上述系統(tǒng)的測量方法，包括以下步驟：

(1)盛水器中加入液體，調(diào)節(jié)激光的水平，打開激光器，轉(zhuǎn)使激光頭緩慢向上移動，并調(diào)節(jié)入射角度，使其在液面上出現(xiàn)完整的光路，因液面橫平，此時激光水平出射；

(2)使旋轉(zhuǎn)托盤旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，向上緩慢移動調(diào)節(jié)后的激光頭，在下方水平出射部分取樣；

(3)在接近凹液面處，進(jìn)行密集取樣，獲取得到的凹液面最低點；

(4)在此凹液面范圍內(nèi)光線發(fā)生偏折位置以間距采集圖像；

(5)利用處理器得到高度與光強的圖像，從圖像中得到高度差；

(6)改變不同轉(zhuǎn)速，進(jìn)行多次計算，得到豎直高度和激光出射功率的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

所述步驟(1)中，液體按照2:1000的比例添加黑墨水。

所述步驟(6)中，通過數(shù)字圖像處理獲得激光通道的總強度，同一組照片的激光強度做歸一化以判斷高度差。

本實用新型的有益效果為：精確度高，激光的橫平可以使用調(diào)整螺絲調(diào)節(jié)，而其高度則采用對應(yīng)的高精度直尺，不收液體桶旋轉(zhuǎn)的影響。實驗現(xiàn)象明確，實驗中激光光路是否發(fā)生改變清晰可見，實驗現(xiàn)象明確而明顯易觀測，不再是肉眼估讀旋轉(zhuǎn)的液體。讀數(shù)簡單，誤差小，MATLAB數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確。解決了筒在旋轉(zhuǎn)中讀數(shù)困難且不精確的問題，固定的刻度尺讀數(shù)方便、準(zhǔn)確。處理攝像頭拍攝的照片后，數(shù)據(jù)測量誤差更小。

附圖說明

圖1是本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的不同高度的激光出射功率曲線示意圖。

其中，1為絲桿螺進(jìn)旋柄，2為絲桿，3為高精度直尺，4為透明水桶，5為固定在移動模塊上的激光器及調(diào)平螺絲，6為旋轉(zhuǎn)托盤，7為底盤，8為轉(zhuǎn)速控制儀，9為攝像頭。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。

現(xiàn)有實驗中是根據(jù)肉眼看旋轉(zhuǎn)液體的最凹面和最高處對應(yīng)的刻度線或側(cè)邊支架的直尺讀數(shù)，這樣就會存在兩個明顯的問題。首先，儀器本身精確度不高，讀數(shù)網(wǎng)格是手動貼在水桶上的，網(wǎng)格是否水平并沒有任何校對方式，當(dāng)水桶開始旋轉(zhuǎn)之后，網(wǎng)格的坐標(biāo)線往往不是水平的。其次，實驗現(xiàn)象模糊，肉眼讀數(shù)誤差較大，水桶中的水為透明的，旋轉(zhuǎn)后上下邊界并不十分清晰，且肉眼觀察旋轉(zhuǎn)的東西容易疲勞，而讀數(shù)又是利用數(shù)貼在水桶壁上的沒有數(shù)值的網(wǎng)格，這又給實驗數(shù)據(jù)帶來了極大的誤差。旋轉(zhuǎn)頁面的最低點和最高點判斷困難，坐標(biāo)紙模糊，讀數(shù)誤差很大。

從歷年實驗數(shù)據(jù)分析調(diào)研得知，本實驗結(jié)果誤差都較大，主要是高度差讀取不準(zhǔn)確，基本實驗數(shù)據(jù)分析的誤差都在20％左右，誤差小于5％的非常少。以下為使用舊裝置所測得的一組數(shù)據(jù)：

本實用新型中的實驗裝置利用激光的反射和折射原理精確測量旋轉(zhuǎn)液體的高度差，實驗現(xiàn)象為激光光路是否反射，實驗現(xiàn)象明確而明顯，讀數(shù)利用絲桿上固定的高精度直尺，讀數(shù)清晰且準(zhǔn)確度高，高度差的讀取除了可以利用目測實驗現(xiàn)象外，還可以用記錄出射激光圖像的相機所拍攝照片，分析激光亮度獲得，數(shù)據(jù)處理后精確度大大提高。

激光在乳濁液和膠體中會發(fā)生廷德耳散射，通過實驗發(fā)現(xiàn)用黑墨水溶液這種現(xiàn)象比較明顯，并且在旋轉(zhuǎn)過程中，黑墨水性質(zhì)穩(wěn)定，激光光路一直很明顯。

為觀測激光的光路，在透明的水中加入一定比例的黑墨水，激光光路清晰可見，將激光從一側(cè)水平入射，激光是否水平利用激光頭的三個螺絲調(diào)整激光水平入射橫平靜止水面。激光頭和調(diào)整螺絲固定在絲桿固定物塊上，旋轉(zhuǎn)絲桿上端的螺進(jìn)旋柄，激光頭可上下移動，其位置通過絲桿旁的直尺讀出。在激光器的另一側(cè)放置一個攝像頭，用于拍攝不同高度的出射激光照片，然后再用Matlab處理照片得到豎直高度和激光出射功率的對應(yīng)數(shù)據(jù)。

由于激光的反射和折射現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)過程中，激光光路在水面發(fā)生明顯的折射，可以很明顯的判斷最高點和最低點，實驗現(xiàn)象明顯易判斷。同時，在另一側(cè)正對著激光器放置一個攝像頭，拍攝出射激光的功率，如激光位置未進(jìn)入旋轉(zhuǎn)液體凹液面，則激光光路穿過水桶中的水(下側(cè))或空氣(上側(cè))，光路不會發(fā)生折射，攝像頭拍攝圖像的亮度較高，如激光位置進(jìn)入旋轉(zhuǎn)液體凹液面，由于激光在水凹面發(fā)生反射，激光光路發(fā)生明顯變化，攝像頭拍攝圖像的亮度也顯著降低。從明顯的光路改變和圖像的亮度計算來確定最低點和最高點，并計算高度差。

不同高度激光的出射照片導(dǎo)入Matlab程序后，通過數(shù)字圖像處理獲得紅色通道的總強度，同一組照片的紅色激光強度做歸一化以判斷高度差。高度差讀取時，選取激光變化過程中間為高度差的最高點和最低點，從曲線坐標(biāo)圖中讀取高度差，如圖2所示。

使用本裝置的實驗步驟：

1.用游標(biāo)卡尺測量圓筒的內(nèi)徑。

2.將圓筒用氣泡式水平儀調(diào)節(jié)水平，然后在圓筒中加入適量的水，水面高度離筒口3-5cm為宜，并按照2:1000的比例添加黑墨水，攪拌均勻。

3.調(diào)節(jié)激光的水平，打開半導(dǎo)體激光器，轉(zhuǎn)動絲桿使激光頭緩慢向上移動，并調(diào)節(jié)入射角度，使其在液面上出現(xiàn)完整的光路，因液面橫平，此時激光水平出射。

4.打開電機電源，待圓桶及水面旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，向上緩慢移動調(diào)節(jié)后的激光頭，在下方水平出射部分可進(jìn)行簡單取樣，少拍幾組照片。

5.在接近凹液面處，進(jìn)行密集取樣，多拍取幾張照片，使得到的圖像更加完整精確，更準(zhǔn)確得到的凹液面最低點。

6.再向上移動，在此凹液面范圍內(nèi)光線發(fā)生偏折可選取適當(dāng)?shù)拈g距來拍取照片。

7.用Matlab處理照片得到高度與光強的圖像，從圖像中得到高度差。

8.改變不同轉(zhuǎn)速，拍取多組照片。

使用本裝置的實驗數(shù)據(jù)：

改進(jìn)后，實驗數(shù)據(jù)測量過程中實驗現(xiàn)象明顯，讀數(shù)方便，且通過超過多組實驗驗證，其實驗誤差均在5％左右，不僅有利于實驗現(xiàn)象的觀測，而且實驗數(shù)據(jù)誤差大大減小，如下是其中幾組數(shù)據(jù)：

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。