平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器力學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教具

用新型的工作原理是，將被測(cè)小球放置在實(shí)驗(yàn)儀器的拋出導(dǎo)軌上，吸附在電磁釋放器上，按下開關(guān)釋放小球，小球經(jīng)過一電門，當(dāng)小球離開光電門的時(shí)候開始測(cè)量時(shí)間，小球飛行后落到承接板上，承接板上的壓電陶瓷作為敏感元件，當(dāng)小球落到承接板上的時(shí)候，停止計(jì)時(shí)，從而獲得小球飛行的時(shí)間，顯示在數(shù)碼管上。讀出教具上的高度值和從復(fù)寫紙上鋼球留下壓痕的水平距離，就可在實(shí)驗(yàn)紙上描出點(diǎn)。我們將整個(gè)平拋曲線沿高度方向分成20個(gè)高度點(diǎn)，自高而下設(shè)置測(cè)試水平高度，改變接球板的高度，測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)隨著落地時(shí)間的不同而不同。從數(shù)碼管上讀取時(shí)間數(shù)據(jù)，按測(cè)量高度的Y值和水平距離的X值， 在紙上描點(diǎn)繪圖。如果將實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的USB 口與電腦連接，打開相應(yīng)的軟件，可以讀取實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在曲線圖上顯示，可以看出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)變化，在軟件的坐標(biāo)軸上顯示，同時(shí)輸入讀取的高度和水平值，可得出坐標(biāo)曲線。本實(shí)用新型的構(gòu)成如下—種平拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，它包括有一塊直立的面板、在儀器的下部有一個(gè)水平布置的中空底座、一個(gè)斜向布置的滑槽、鐵磁性的小鋼球、兩個(gè)電磁持球架、一個(gè)垂直布置的光電門、一個(gè)水平布置的承接板，承接板與面板之間的連接固定裝置，其特征是A，一塊直立的面板，在其上一個(gè)角落的位置上固定有一個(gè)斜向布置的滑槽，在其斜高的起始位置上固定有一個(gè)電磁持球架，在滑槽的水平終端位置上固定有一個(gè)垂直布置的光電門，在面板的上沿布置一個(gè)可以沿水平方向移動(dòng)的第二電磁持球架，在面板的正側(cè)面上布置有垂直標(biāo)尺和水平的標(biāo)尺，在面板的兩個(gè)垂直的邊沿上固定有垂直布置的齒槽插板，在面板的下側(cè)布置有一個(gè)水平布置的承接落下小鋼球的承接板，它是與所述直立面板可貼合并可上下移動(dòng)的帶壓電陶瓷傳感元件和復(fù)寫紙壓板的鋼球承接板，它有圍框， 圍框的兩端設(shè)有用于與齒槽插板相互連接的斜插板。B，在儀器的下部有一個(gè)水平布置的中空底座，其內(nèi)裝有電子電路元器件，在水平中空底座的上側(cè)面上設(shè)有與直立的面板相互連接的物件，它們是自直立的面板下沿被90° 度打彎形成的一個(gè)水平面窄條，在它與水平中空底座上側(cè)面面相貼的平面之間通過螺釘相互夾緊并螺接固定。直立的面板的背部在直立面板和水平中空底座的直交面上可以加設(shè)三角形的加強(qiáng)筋，以增加直立面板的直立剛性。在水平中空底座的上側(cè)面上設(shè)有兩個(gè)電磁釋放開關(guān)手動(dòng)按鈕，所述的水平中空底座上設(shè)有一個(gè)工作模式選擇按鈕。在水平中空底座的后側(cè)立面上設(shè)有為儀器取電用的電源插口，還有為兩個(gè)繼電器供電的電源連接頭，以及通過電腦為儀器供電的USB插口。C，在水平中空底座的上側(cè)面上還臥放有一個(gè)顯示器盒，其上有顯示時(shí)間的數(shù)碼管，所述的顯示器盒上設(shè)有顯示壓電陶瓷傳感元件受壓時(shí)發(fā)出發(fā)光信號(hào)的指示燈。所述的顯示器盒上設(shè)有一個(gè)調(diào)節(jié)壓電陶瓷傳感器元件震動(dòng)靈敏度的可變電阻調(diào)節(jié)旋鈕。所述的顯示器盒上設(shè)有一個(gè)數(shù)據(jù)清零按鈕。顯示器盒內(nèi)還有部分電路板。關(guān)于電子電路方面本實(shí)用新型平拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的電子電路包括有單片機(jī)芯片，以其為中心， 周邊有與其相連的數(shù)碼管電路，繼電氣控制電路，模式選擇電路，包括有用于數(shù)字歸零的數(shù)字清零按鍵電路、控制電磁鐵吸住和落下的電磁繼電器控制電路的按鍵電路，包括光電門信號(hào)處理電路和震動(dòng)信號(hào)處理電路的信號(hào)處理電路，與電腦連接的USB插口，和為整個(gè)電路供電的電源電路。所述的單片機(jī)芯片的單片機(jī)引腳定義DO D7 數(shù)碼管數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線共享，CLEDl CLED4 4個(gè)數(shù)碼管片選信號(hào)，CJDl，CJD2 兩個(gè)電磁繼電器控制信號(hào)，KEY 清零按鈕，KEYl，KEY2 電磁鐵釋放開關(guān)信號(hào)，KEY3 模式選擇開關(guān)，SIGOUT 光電門信號(hào)，[0024]INTO 震動(dòng)信號(hào)，USB_D+, USB_D-單片機(jī)USB接口數(shù)據(jù)線，連接電腦USB接口，RST, P20單片機(jī)復(fù)位信號(hào)和程序燒錄控制線，XTALl，XTAL2晶振信號(hào)輸入。兩個(gè)相同的分別用來控制平拋電磁鐵和自由落體電磁鐵電源的通斷的電磁繼電器控制電路，它包括U4直流5伏的繼電器和繼電器驅(qū)動(dòng)電路的三極管，三極管的基極通過電阻與單片機(jī)的26引腳CJDl相連，集電極通過電阻與5伏電壓的電源相連，其發(fā)射極通過二極管Dl接地同時(shí)也與繼電器的引腳5直接相連，U4繼電器的引腳1、2為輸入側(cè)的引腳， 3、4、5為輸出側(cè)的引線，在單片機(jī)上有一個(gè)引線KEYl或KEY2是與電磁釋放開關(guān)手動(dòng)按鈕的按鍵相連的。一個(gè)模式選擇電路它由單片機(jī)的引腳21(KEY3)與一個(gè)電阻和一個(gè)手動(dòng)選擇開關(guān) S2串聯(lián)而成，選擇開關(guān)的一頭接地，另一頭接5伏電源。光電門信號(hào)處理電路包括紅外三極管、作為UlA比較電路的芯片，為驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的三極管、信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的三極管，該電路的連接如下紅外發(fā)射二極管電路J3接口在給電狀態(tài)下始終發(fā)射出紅外光，J5接口為紅外三極管的紅外接收電路。紅外三極管Q3的基極通過作為紅外線接收電路的接口 J5被觸發(fā)并工作。紅外三極管Q3的集電極與3. 3伏的直流電壓VCC相連，同時(shí)也與作為紅外發(fā)射鏈路的J3接口、再通過電阻接地；紅外三極管Q3的發(fā)射極與比較電路UlA的傳感信號(hào)接收引腳 2相連；并且通過比較器與UlA的引腳3相連。三極管Q4的基極通過電阻與比較電路的UlA芯片的輸出引腳1相連，同時(shí)通過電阻與Q2三極管的基極相連；三極管Q2是用于為發(fā)光二極管D2供電，其集電極通過電阻與發(fā)光二極管D2、再通過發(fā)光二極管D2與3. 3伏的電源VCC相通；三極管Q2的發(fā)射極直接接地，其基極通過電阻與比較電路UlA的芯片的輸出引腳1相連，UlA比較器的輸出傳感信號(hào)的引腳1通過電阻分別與三極管Q2、Q4的基極相連；U6A比較電路的引腳1是直接連通單片機(jī)電路的SIGOUT引腳4相連，引腳2提供的是比較電平，引腳3是光電傳感信號(hào)輸入腳，它與三極管Q4集電極的光電傳感信號(hào)輸出端相連。震動(dòng)信號(hào)處理電路是壓電陶瓷信號(hào)放大輸出電路，它包括作為壓電陶瓷連接口的 J3接口，用來放大壓電陶瓷信號(hào)用的三極管Q1，用于把壓電陶瓷的信號(hào)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)的數(shù)字“0”、“1”信號(hào)的比較器電路芯片U3B，用來指示壓電陶瓷是否被震動(dòng)的LED指示燈，用于為LED指示燈提供功率的三極管Q2它們的連接方式如下三極管Ql的集電極相連與U3B比較器電路芯片的輸入側(cè)引腳6相連，同時(shí)也通過電阻與5伏直流電源相連，U3B引腳5與一個(gè)調(diào)節(jié)傳感信號(hào)靈敏度的參考電壓電路相連；參考電壓電路包括兩個(gè)固定電阻和一個(gè)可變電阻，參考電壓電路被跨接在5伏的直流電源和接地之間；比較器電路芯片U3B的輸出端的傳感信號(hào)輸出引腳7通過電阻與三極管Q2的基極相連，三極管Q2的集電極通過電阻、再通過二極管D3與直流5伏電源相連，Q2的發(fā)射極接地。[0040]比較器電路U3A的輸入側(cè)有引腳3、2，引腳3與比較器電路芯片TOB引腳7處相連，引腳2的通過電阻與直流3. 3伏電源相連，還通過電阻與接地相連，輸出側(cè)引腳1與單片機(jī)傳遞震動(dòng)信號(hào)的5腳(INTO)相連。數(shù)碼管電路包括4個(gè)8段共陽數(shù)碼管U5，每個(gè)數(shù)碼管U5的公共端LED CTLl接以單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的三極管Q3驅(qū)動(dòng)，引腳D、Dl、D2、D3、D4、D5、D6、07、直接引入單片機(jī)“0”、“1” 口，三極管Q3是數(shù)碼管陽極驅(qū)動(dòng)三極管，其發(fā)射極連接數(shù)碼管TO的公共端LED CTL1，三極管Q3的集電極通過電阻與直流3. 3伏電源VDD相連，三極管Q3的基極通過電阻與單片機(jī)的引腳CLEDl相連。清零按鍵KETO的電路用來使數(shù)碼管TO清零，按鍵KETO的兩端其一端通過電阻與接地相連，同時(shí)也與單片機(jī)的引腳KEY2相連；其另一端通過電阻與直流VDD電源相連。電源電路包含一個(gè)外接DC-5V電源的Jl供電接口，它有1、2、3三個(gè)接點(diǎn)，其中接點(diǎn)1連接5伏直流電源。電源電路包含一個(gè)從電腦主機(jī)取電的J2供電接口，它是USB接口，它共有六個(gè)接點(diǎn)，其中接點(diǎn)1與5伏直流電源相連，接點(diǎn)2與USB D-接口相連，接口 3與USB D+接口相連，接口 4、5、6三個(gè)接點(diǎn)被接地。電源電路是各包含芯片U7或U8的兩個(gè)相同的電路，該電路中芯片U7或U8的輸入端引腳3通過二極管D3與直流5伏電源相連，引腳3在其與接地之間與一組并聯(lián)的電容 Cl、C5相連；其引腳2在其與接地之間通過并聯(lián)的電容組C6、C9或C8、ClO與二極管D4或 D5相并聯(lián)，芯片U7、U8的引腳1與接地相連，并且引腳4與引腳2直連。電源電路是一個(gè)包括有芯片Ul的把5伏的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?. 3伏的直流電壓并且給單片機(jī)供電的電路。該電源電路芯片Ul的輸入端引腳3直連5伏直流電源，并在其與接地之間并聯(lián)一組電容C4、C5，該電路芯片Ul的輸出端引腳2是與3伏直流電源VDD直連， 并在其和接地之間并聯(lián)一組電容C3、C15、C20。本實(shí)用新型平拋運(yùn)動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器其工作流程如下將模式選擇開關(guān)置于選擇模式1 (與5伏電池連通，此時(shí)是平拋、自由落體模式)， 按平拋釋放開關(guān)，小球從電磁鐵釋放在平拋軌道上滾動(dòng)，在離開平拋軌道通過光電門瞬間，開始計(jì)時(shí)，到小球落到承接板上產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，結(jié)束計(jì)時(shí)，數(shù)碼管顯示這個(gè)時(shí)間段的累計(jì)時(shí)間(單位毫秒)。在此模式下，在與平拋發(fā)生的同時(shí)按下自由落體開關(guān)按鍵， 第二小球做自由落體運(yùn)動(dòng)，按下開關(guān)開始計(jì)時(shí)，第二小球落到承接板產(chǎn)生震動(dòng)信號(hào)，結(jié)束計(jì)時(shí)。做該實(shí)驗(yàn)時(shí)讓吸引自由落體小鋼球的持球架足夠保持與拋物運(yùn)動(dòng)小鋼球的距離，不讓兩者發(fā)生碰撞。將模式開關(guān)選擇到模式2，按平拋釋放開關(guān)按鍵，小球從平拋軌道滾下，經(jīng)過光電門時(shí)，自由落體電磁鐵自動(dòng)釋放第二小球，兩球在空中碰撞，兩個(gè)小球在各處位置都會(huì)發(fā)生碰撞的事實(shí)證明了平拋運(yùn)動(dòng)的豎直分運(yùn)動(dòng)是自由落體運(yùn)動(dòng)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是在教具上直接讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于采用了精度很高的光電門獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以讀取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度要高很多，另外，在教具上有直接的USB輸出口， 通過這個(gè)接口直接與電腦上連接，可以直接通過教具來上數(shù)據(jù)，不需要通過傳統(tǒng)的傳感器加采集器，然后再連接計(jì)算機(jī)的方式，準(zhǔn)確度更高，實(shí)驗(yàn)的搭建也更簡單。本實(shí)用新型不但能快速地直接描繪出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，還能證明平拋運(yùn)動(dòng)是水平勻速運(yùn)動(dòng)與豎直自由落體運(yùn)動(dòng)的合成。 以下，結(jié)合本實(shí)用新型的實(shí)施例和附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。