機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器的制造方法
【專利摘要】一種機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，包括底座、立柱、刻度板和控制電路；底座上安裝有立柱，立柱上部安裝有擺桿，擺桿的下端連接有擺錘，擺錘上安裝有一只光電門傳感器，刻度板固定安裝在底座側(cè)面，刻度板的上側(cè)呈圓弧形，該圓弧形上側(cè)的邊沿分布有至少兩個(gè)擋光片，刻度板上側(cè)圓弧形的上下兩端分別設(shè)置有釋放裝置和接收裝置；控制電路包括主控電路、穩(wěn)壓電路和光電門采集電路，光電門傳感器與光電門采集電路連接，光電門采集電路與主控電路連接，主控電路與穩(wěn)壓電路連接。該實(shí)驗(yàn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需配備一只光電門傳感器；操作方便，擺錘帶動(dòng)光電門傳感器只要下落一次，便可采集多次擋光數(shù)據(jù)，更加直觀，教學(xué)效果更佳；擺錘在擺動(dòng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定。
【專利說明】機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)器，屬于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械能守恒是中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中非常重要的一個(gè)部分。傳統(tǒng)的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)多采用擺球法演示，但不能進(jìn)行定量分析，只能從原理上加以說明。也有的用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，受各方面因素影響，第一與第二點(diǎn)間的誤差較大，從而使整個(gè)實(shí)驗(yàn)誤差加大或?qū)嶒?yàn)失敗，實(shí)驗(yàn)的成功率不高。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，光電門傳感器逐步應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為定量分析提供了良好的基礎(chǔ)。但是，要想充分發(fā)揮傳感器的作用，需要有較為理想的物理模型與之配套使用。
[0003]因此，利用光電傳感器進(jìn)行機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器應(yīng)運(yùn)而生，如中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201007867公開的《機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器》，包括支架、主板、副板、圓柱形擺錘、光電傳感器固定臂、光電傳感器和磁鐵夾固定臂，支架上安裝有定位擋片；主板和副板分別安裝在支架的左右兩側(cè)；光電傳感器固定臂的一端和磁鐵夾固定臂的一端均安裝在支架上部且安裝軸在同一軸線上，光電傳感器固定臂在主板后面，磁鐵夾固定臂在主板前面；光電傳感器固定臂的另一端安裝有光電傳感器；磁鐵夾固定臂的另一端帶有磁鐵夾，擺錘通過擺錘線連接在磁鐵夾固定臂與支架的安裝軸上。CN200979765公開的《演示用機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)儀》，至少包含有一底座，一固定支架，還有一固定在支架上端的平板，在平板的上方正中相接有一根下垂線，線下固定有一個(gè)鋼質(zhì)擺球，在平板的至少一側(cè)上方設(shè)置有一個(gè)可吸放鋼質(zhì)擺球的磁性釋放器，而在鋼質(zhì)擺球的擺動(dòng)軌跡邊緣的平板上設(shè)置有至少兩個(gè)光電門傳感器。
[0004]雖然上述實(shí)驗(yàn)器材解決了傳統(tǒng)儀器中存在的問題，但各有弊端，如中國(guó)專利文獻(xiàn)CN201007867公開的《機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器》，是通過移動(dòng)光電門傳感器測(cè)量擺錘在不同位的運(yùn)動(dòng)速度，所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要多次測(cè)量，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率不高。CN200979765公開的《演示用機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)儀》需要設(shè)置多個(gè)光電門，此類實(shí)驗(yàn)器最多限制只能測(cè)量四個(gè)組數(shù)據(jù)，且因光電門之間存在測(cè)量誤差，引起實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)器材成本過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在的不足，提供一種操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉、實(shí)驗(yàn)效率高效果好的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器。
[0006]本發(fā)明的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，采用以下技術(shù)方案:
[0007]該機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，包括底座、立柱、刻度板和控制電路；底座上安裝有立柱，立柱上部安裝有擺桿，擺桿的下端連接有擺錘，擺錘上安裝有一只光電門傳感器，刻度板固定安裝在底座側(cè)面，刻度板的上側(cè)呈圓弧形，該圓弧形上側(cè)的邊沿分布有至少兩個(gè)擋光片，刻度板上側(cè)圓弧形的上下兩端分別設(shè)置有釋放裝置和接收裝置；控制電路包括主控電路、穩(wěn)壓電路和光電門采集電路，光電門傳感器與光電門采集電路連接，光電門采集電路與主控電路連接，主控電路與穩(wěn)壓電路連接。[0008]釋放裝置包括上下兩個(gè)夾片，兩個(gè)夾片相對(duì)安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有扭簧，扭簧兩端分別壓在兩個(gè)夾片上，上夾片的外端設(shè)有端鉤。端鉤可鉤住擺錘，按壓上夾片的里端，端鉤抬起，可釋放擺錘。
[0009]接收裝置為一個(gè)阻擋塊，當(dāng)擺錘擺動(dòng)到此位置時(shí)，阻擋住擺錘繼續(xù)下落擺動(dòng)，使之卡在此處。
[0010]主控電路，包括單片機(jī)Ul和下載接口，下載接口與單片機(jī)Ul連接。
[0011]光電門采集電路，包括接口 J3、電阻R3、電阻R4和電容C8，接口 J3分別通過電阻R3和電阻R4與主控電路中下載接口的電源引腳連接；電容C8 —端與主控電路中下載接口的電源引腳連接，一端接地；接口 J3與光電門傳感器連接，接口 J3的第3腳與主控電路中的單片機(jī)Ul連接。
[0012]實(shí)驗(yàn)時(shí)，將主控電路與計(jì)算機(jī)連接，將擺錘固定在釋放裝置上，釋放擺錘使其下落，其上的光電門傳感器依次通過刻度板上的各個(gè)擋光片，光電門傳感器的擋光信號(hào)傳輸至主控電路，主控電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將光電門傳感器的擋光時(shí)間轉(zhuǎn)換為光電門通過擋光片時(shí)的速度，并計(jì)算出擺錘的動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能，并可通過曲線進(jìn)行顯示。
[0013]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需配備一只光電門傳感器；操作方便，擺錘帶動(dòng)光電門傳感器只要下落一次，便可采集多次擋光數(shù)據(jù)，這樣一次實(shí)驗(yàn)便可代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)器六次實(shí)驗(yàn)；可自動(dòng)計(jì)算出擺錘的動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能，并能顯示出動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能的三條曲線進(jìn)行對(duì)比，更加直觀，教學(xué)效果更加；采用剛性的碳纖維桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)器中的連線，擺錘在擺動(dòng)時(shí)，運(yùn)行更加穩(wěn)定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器中刻度板的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器中釋放裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器中接收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明中主控電路的電路原理圖。
[0019]圖6是本發(fā)明中接口電路的電路原理圖。
[0020]圖7是本發(fā)明中穩(wěn)壓電路的電路原理圖。
[0021]圖8是本發(fā)明中接口保護(hù)電路的電路原理圖。
[0022]圖9是本發(fā)明中光電采集電路的電路原理圖。
[0023]其中:1、側(cè)封口，2、底座，3、刻度板，4、螺栓，5、自攻螺絲，6、釋放裝置，7、控制盒，
8、固定軸，9、擺桿，10、擺錘，11、接收裝置，12、立柱，13、螺栓。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器主要包括底座2、立柱12、刻度板3和控制電路。底座2為鋁合金型材制成，其兩端裝有側(cè)封口 I，底座2上安裝有立柱12。立柱12的上部通過螺栓13固定安裝有控制盒7，控制盒7上通過固定軸8安裝有碳纖維材料制成的擺桿9，擺桿9的下端固定有擺錘10。擺錘10上安裝有光電門?？潭劝?通過螺栓4固定安裝在底座2的側(cè)面。如圖2所示，刻度板3的上側(cè)呈圓弧形，圓弧形邊沿分布有至少兩個(gè)擋光片(黑塊處，圖2中設(shè)有六個(gè)擋光片)，高度分別為15cm、12cm、9cm、6cm、3cm、0cm,擋光片的寬度為1cm?？潭劝?上側(cè)圓弧形的兩端分別設(shè)置有釋放裝置6和接收裝置11，釋放裝置6用于將擺錘固定在刻度板上端，按壓釋放裝置6的按壓手柄便可釋放擺錘使之落下，釋放裝置6通過自攻螺絲5固定在刻度板3圓弧形的上端。接收裝置11可以阻擋接收擺動(dòng)的擺錘。
[0025]控制電路安裝在控制盒7中，包括主控電路、穩(wěn)壓電路和光電門采集電路，光電門與光電門采集電路連接(兩者的連線隱藏在擺桿9的內(nèi)孔中)，光電門采集電路與主控電路連接，主控電路與穩(wěn)壓電路連接。主控電路與通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0026]如圖2所示，在刻度板3上邊沿分布有6個(gè)黑色的擋光片，6個(gè)擋光片在垂直方向均勻分布，高度分別為15、12、9、6、3、0cm。擺錘下落時(shí)，擺錘10上的光電門依次通過6個(gè)擋光片。
[0027]釋放裝置6的結(jié)構(gòu)如圖3所示，釋放裝置6為夾子結(jié)構(gòu)，包括上下兩個(gè)夾片，兩個(gè)夾片相對(duì)安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有扭簧，扭簧兩端分別壓在兩個(gè)夾片上，下夾片通過自攻螺絲5固定在刻度板3的上端。上夾片的外端設(shè)有端鉤，端鉤可鉤住擺錘10，按壓上夾片的里端，端鉤抬起，可釋放擺錘10。
[0028]接收裝置11的結(jié)構(gòu)如圖4所示，為一個(gè)阻擋塊，接收裝置11與刻度板3可以拼接為一個(gè)整體，當(dāng)擺錘10擺動(dòng) 到此位置時(shí)，接收裝置11可以阻擋住擺錘10，使之卡在此處。
[0029]主控電路如圖5所示，包括單片機(jī)U1(STM32F103R8T6)和下載接口，下載接口與單片機(jī)Ul連接。擺錘10上的光電門傳感器的輸出信號(hào)連接至單片機(jī)Ul的第38腳，單片機(jī)Ul定時(shí)監(jiān)測(cè)此腳的高低電平來判斷光電門是否擋光。Yl為8MHz晶振，與瓷片電容Cl、C2配合為單片機(jī)Ul提供系統(tǒng)時(shí)鐘。
[0030]下載接口電路如圖6所示，J2為USB接口，通過電阻R9和RlO連接至單片機(jī)Ul的44、45管腳。Ql為MOS管A03401，單片機(jī)Ul通過51腳控制Ql的通斷，Ql的通斷可控制USB通信的連接和斷開。
[0031 ] 穩(wěn)壓電路如圖7所示，包括穩(wěn)壓芯片U5、鉭電極電容El、瓷片電容C15和瓷片電容C16。穩(wěn)壓芯片U5輸出3.3V電壓為主控電路供電。
[0032]接口保護(hù)電路如圖8所示，包括瞬態(tài)抑制二極管芯片U6，芯片的4腳和6腳連接至USB的D+、D-信號(hào)線，防止USB線拔插時(shí)造成單片機(jī)Ul的USB損壞。
[0033]光電門采集電路如圖9所示，包括接口 J3、電阻R3、電阻R4和電容C8。接口 J3與光電門連接，J3的第3腳連接至單片機(jī)Ul的第38腳，單片機(jī)Ul的第38腳，將光電門的高低電平信號(hào)傳輸至單片機(jī)。同時(shí)J3的第I腳通過電阻R3與下載接口接口電路中的USB提供的電源￥_”8連接，J3的第3腳通過電阻R4與下載接口接口電路中的的USB提供的電源V_USB連接，電容C8 —端與USB提供的電源V_USB連接，一端接地。
[0034]實(shí)驗(yàn)時(shí)，將控制盒7中的主控電路用USB線與計(jì)算機(jī)連接，將擺錘10固定在釋放裝置6上，釋放擺錘10，擺錘10下落，其上的光電門依次通過刻度板3上的六個(gè)擋光片。光電門的擋光信號(hào)通過在擺桿9內(nèi)孔中的連線將擋光信號(hào)傳輸至控制盒7內(nèi)的主控電路，主控電路中的單片機(jī)Ul進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)字信號(hào)通過下載接口電路和USB線傳輸至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將光電門的擋光時(shí)間轉(zhuǎn)換為光電門通過擋光片時(shí)的速度，并計(jì)算出擺錘的動(dòng)能、勢(shì)能和機(jī)械能，并可通過曲線進(jìn)行顯示。
[0035]本發(fā)明具有以下的特點(diǎn):
[0036]1.操作簡(jiǎn)單:擺錘只要下落一次，便可采集六次擋光數(shù)據(jù)，這樣一次實(shí)驗(yàn)便可代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)器六次實(shí)驗(yàn)。
[0037]2.可自動(dòng)計(jì)算出擺錘的動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能,并能顯示出動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能的三條曲線進(jìn)行對(duì)比，更加直觀，教學(xué)效果更佳。
[0038]3.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定:采用剛性碳纖維桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)器材中的連線，擺錘在擺動(dòng)時(shí)，運(yùn)行更加穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，包括底座、立柱、刻度板和控制電路；其特征是:底座上安裝有立柱，立柱上部安裝有擺桿，擺桿的下端連接有擺錘，擺錘上安裝有一只光電門傳感器，刻度板固定安裝在底座側(cè)面，刻度板的上側(cè)呈圓弧形，該圓弧形上側(cè)的邊沿分布有至少兩個(gè)擋光片，刻度板上側(cè)圓弧形的上下兩端分別設(shè)置有釋放裝置和接收裝置；控制電路包括主控電路、穩(wěn)壓電路和光電門采集電路，光電門傳感器與光電門采集電路連接，光電門采集電路與主控電路連接，主控電路與穩(wěn)壓電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，其特征是:所述釋放裝置包括上下兩個(gè)夾片，兩個(gè)夾片相對(duì)安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有扭簧，扭簧兩端分別壓在兩個(gè)夾片上，上夾片的外端設(shè)有端鉤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，其特征是:所述接收裝置為一個(gè)阻擋塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，其特征是:所述主控電路包括單片機(jī)Ul和下載接口，下載接口與單片機(jī)Ul連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器，其特征是:所述光電門采集電路，包括接口 J3、電阻R3、電阻R4和電容C8，接口 J3分別通過電阻R3和電阻R4與主控電路中下載接口的電源引腳連接；電容C8 —端與主控電路中下載接口的電源引腳連接，一端接地；接口J3與光電門傳感器連接，接口 J3的第3腳與主控電路中的單片機(jī)Ul連接。
【文檔編號(hào)】G09B23/08GK103971565SQ201410233893
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月29日
【發(fā)明者】馮容士, 趙進(jìn), 李鼎 申請(qǐng)人:山東省遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體股份有限公司