CN102426809A - 无线向心力实验器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线向心力实验器，包括底座、立柱、托架和单片机；立柱安装在底座上，托架通过转动接头安装在立柱上；托架上安装有转轴和旋臂转动装置，旋臂安装在转轴上，转轴与旋臂转动装置连接；旋臂上安装有应变计、砝码固定杆和配平杆；托架上安装有挡光臂，挡光臂上设有挡光片；旋臂上还设置有测量向心力的力传感电路、测量挡光时间的光电门电路和单片机，力传感电路和光电门电路均与单片机连接，单片机上连接有无线发射器。本发明不仅可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系、相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，还可以改变旋转角度以研究不同旋转角度下向心力的有关因素，同时实现了数据的无线传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于定量研究向心力大小与旋转半径大小、物体质量大小、旋转速度大小之间关系的向心力实验器，属于实验教学技术领域。
背景技术
向心力实验中要研究向心力和旋转半径、物体质量及旋转速度之间的关系。目前，有各种结构形式的向心力实验器，如中国专利文献CN87200733 、CN2373853和CN201004282公开的《向心力实验器》，但这些现有的能够完成定量测量，但无法使用传感器完成测量数据，与现代化电子设备（计算机、投影机等）不能连用；有的虽然可以通过传感器完成实验，但向心力实验器结构复杂、安装繁琐，且采用有线连接的传感器，利用复杂的转向连杆将力传到力传感器，由于受连杆质量及传动摩擦力的影响，造成较大的实验误差，并且现有的实验器只能研究在水平面上旋转的实验，实验条件受到了很大的限制性。
发明内容
为了克服现有向心力实验器安装繁琐、实验误差大以及局限于水平方向旋转的问题，本发明提供一种无线向心力实验器，该实验器采用无线通讯、安装简单、可以自由改变旋转面角度。
本发明的无线向心力实验器采用以下技术方案：
该无线向心力实验器，包括底座、立柱、转动接头、挡光臂、旋臂、应变计、砝码固定杆、配平杆、旋臂转动装置、托架和单片机；立柱安装在底座上，托架通过转动接头安装在立柱上；托架上安装有转轴和旋臂转动装置，旋臂安装在转轴上，转轴与旋臂转动装置连接；旋臂上安装有应变计、砝码固定杆和配平杆，砝码固定杆和配平杆的轴线在同一直线上，砝码固定杆和配平杆的一端分别与应变计的两侧连接；托架上安装有挡光臂，挡光臂上设有挡光片；旋臂上还设置有测量向心力的力传感电路、测量挡光时间的光电门电路和单片机，力传感电路和光电门电路均与单片机连接，单片机上连接有无线发射器。无线发射器通过无线方式与无线接收器连接，无线接收器连接至计算机。
旋臂转动装置包括电机、主动带轮和被动带轮，电机固定在托架上，主动带轮安装在电机轴上，被动带轮安装在转轴上，主动带轮和被动带轮之间连接有皮带。
力传感电路包括应变计、电源基准芯片U1、运算放大器U2和运算放大器U4，电源基准芯片U1与应变计连接，应变计与运算放大器U2连接，运算放大器U2和运算放大器U4连接。电源基准芯片U1为应变计进行供电，应变计的输出进入运算放大器U2进行信号放大。运算放大器U4为U2提供偏置电压。
光电门电路采用槽型光电开关，该槽型光电开关安装在旋臂的一端。旋臂旋转时时，槽型光电开关随之旋转，到达挡光片位置时，挡光片插在槽型光电开关中，测量挡光时间，将挡光时间转换为旋臂的角速度ω。
上述无线向心力实验器，使用时将砝码固定在砝码固定杆上，通过改变砝码的位置可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系，改变同一位置砝码的质量可以研究相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，通过改变旋臂的旋转角度可以研究不同旋转角度下向心力与哪些因素有关。通过主控电路采集向心力和挡光时间两个物理量信号，主控电路处理后将向心力的大小和挡光时间两个数据通过无线发射器无线传输至无线接收器，无线接收器将数据传输至计算机，由计算机中的软件进行数据处理。
本发明结构简单、操作方便，减小了结构造成的实验误差，不仅可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系、相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，还可以改变旋转角度以研究不同旋转角度下向心力的有关因素，同时实现了数据的无线传输。
附图说明
图1是本发明无线向心力实验器的结构示意图。
图2是本发明中单片机部分的原理图。
图3是本发明中电源电路的原理图。
图4是本发明中光电门电路的原理图。
图5是本发明中蓝牙无线发射电路的原理图。
图6是本发明中力传感电路的原理图。
图7是本发明中无线接收器的电路原理图。
图8是实验中相同砝码质量、不同旋转半径下向心力和角速度的曲线图。
图9是实验中向心力和角速度的平方的关系曲线图。
图10是实验中选取F值的界面图。
图11是实验中向心力和旋转半径的关系曲线图。
图12是实验中相同旋转半径、不同砝码质量下向心力和角速度之间的曲线图。
图13是实验中向心力和砝码质量的关系曲线图。
其中：1、底座，2、立柱，3、可变角度转接头，4、皮带轮，5、旋臂，6、挡光片，7、砝码固定杆，8、砝码，9、挡光臂，10、配平杆，11、电机，12、应变计，13、转轴，14、主动带轮，15、槽型光电开关，16、锁紧螺母，17、托架。
具体实施方式
如图1所示，本发明无线向心力实验器主要包括底座1、立柱2、转动接头3、挡光臂9、挡光片6、旋臂5、应变计12、砝码固定杆7、砝码8、配平杆10、托架17和旋臂转动装置。立柱2安装在底座1上，托架17通过转动接头3安装在立柱2上，转动接头3为现有通用部件，分为动体和静体两部分，动体与静体可以相对转动，动体与静体分别与托架17和立柱2固定，使托架17及其上的旋臂5可以改变固定角度。托架17上安装有转轴13和旋臂转动装置，旋臂5安装在转轴13上，转轴13与旋臂转动装置连接。转轴13在旋臂转动装置的带动下旋转，并带动旋臂5一起旋转。旋臂转动装置包括电机11、主动带轮14和被动带轮4，电机11固定在托架17上，主动带轮14安装在电机轴上，被动带轮4安装在转轴13上，主动带轮14和被动带轮4之间连接有皮带，电机11通过皮带传动带动旋臂5旋转，电机的转速可调。摘下皮带后，可手动拨动旋臂5，使其自由转动。旋臂转动装置也可以采用链传动、齿轮传动等其它传动机构。旋臂5上安装有应变计12、砝码固定杆7和配平杆10，砝码固定杆7和配平杆10的轴线在同一直线上，砝码固定杆7和配平杆10的一端分别与应变计12的两侧连接，另一端插入旋臂5一侧的小孔内，呈自由状态。砝码8通过锁紧螺栓固定在砝码固定杆7上。配平杆10的作用是与砝码固定杆7配平，与砝码固定杆7同质。托架17上安装有挡光臂9，挡光臂9上有挡光片6，挡光臂9通过锁紧螺母16固定在托架17。旋臂5的一端安装有槽型光电开关15，旋臂5转动时就会被挡光片6遮挡，将挡光时间转换为旋臂5的角速度ω。
旋臂5上还设置有测量向心力的力传感电路和测量挡光时间的光电门电路（即槽型光电开关15），力传感电路和光电门电路均与单片机连接，单片机上连接有无线发射器，无线发射器与通过无线方式连接无线接收器，无线接收器通过USB口连接至计算机，无线发射器采用蓝牙模块。通过单片机采集向心力和挡光时间两个物理量信号，单片机处理后将向心力的大小和挡光时间两个数据通过无线发射器无线传输至无线接收器，无线接收器通过USB口将数据传输至计算机，由计算机中的软件进行数据处理。无线发射器与无线接收器采用蓝牙技术。
图2给出了单片机部分的原理图，U3为单片机C8051F410，力传感电路输出的的信号由U1的29脚进入U3，U3内部的16脚为ADC模块对电压进行采样，将模拟信号转化为数字信号。光电门电路的输出信号通过U3的15脚进入U3，U3的定时器对脉冲信号进行计时。U6为ADR391，为U3内部的ADC模块提供2.5V电源基准，U3通过P1.7控制Q1三极管8050的导通来控制U6的输出。R18、R19对电池电压进行分压，由U3的36脚进入U3，由U3检测电池的电量。D3为工作指示灯，当电路工作时，D3亮起，当电池电量不足时，D3闪烁。J2为U3的程序下载接口。XT1为22.1184M的晶振。
图3给出了电源电路的原理图，U7为TPS61202开关电源稳压芯片，稳定输出5V为实验器供电。U8为XC6219电源芯片，输出3.3V为蓝牙模块供电。J3为电池盒的输入插座。
图4给出了光电门电路的原理图，采用J4（33039A）槽型光电开关，J4的第三脚为输出脚，连接至U3的15脚。
图5给出了蓝牙无线发射电路的原理图，U5为蓝牙模块，通过1、2脚连接至U3的21、22脚。D2为蓝牙模块的工作指示灯，当蓝牙模块处在搜寻状态时，D2闪烁，当蓝牙模块与无线接收器已建立连接时，D2常亮。
图6给出了力传感电路的原理图，J1为应变计，应变计的输出进入U2运算放大器AD620进行信号放大，放大后的信号从U2的第6脚经电阻R4输入至U3的第29脚。U1为电源基准芯片REF3040，为J1应变计进行供电。U4为运算放大器MAX4322，U4的第3脚连接至U3的18脚DAC输出，第4、1脚连接至U2的第5脚，为U2提供偏置电压。
图7给出了无线接收器的电路原理图，U1为单片机C8051F340，J1为USB接口连接至U1的第8、9脚。U2为蓝牙模块，S1为自动配对按键。U3为XC6219稳压芯片，为蓝牙模块提供3.3V电源。
计算机中的软件将挡光时间转换为旋臂5的角速度ω，建立一个F-ω坐标系，横轴为角速度ω，纵轴为力F。当旋臂5旋转时，槽型光电开关15通过挡光片6时，软件就会记录下本次挡光的加速度和当前的向心力值，并在坐标系中绘出数据点。本发明不仅可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系、相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，还可以改变旋转角度以研究不同旋转角度下向心力与那些因素有关。
图8给出了实验中相同砝码质量、不同旋转半径下向心力和角速度的曲线，通过“二次拟合”可说明向心力和角速度的关系是二次曲线。图9给出了实验中向心力和角速度的平方的关系曲线，通过“一次拟合”，可说明向心力和角速度的平方为一次线性关系。图10给出了实验中“选取F值”的界面，将相同角速度、不同旋转半径对应的向心力值记录到数据表格中。图11给出了实验中将表格中向心力的值和旋转半径的值建立坐标系进行的绘图，可以说明同一角速度下，向心力和旋转半径成正比。图12给出了实验中相同旋转半径、不同砝码质量下向心力和角速度之间的曲线。并“选取F值”将同一角速度下的向心力的值和砝码质量的值记录到表格中。图13给出了实验中的向心力值和砝码质量的值建立坐标后绘图的曲线，可以说明在将同一角速度下的向心力和质量成正比。
Claims (4)
1.一种无线向心力实验器，包括底座、立柱、转动接头、挡光臂、旋臂、应变计、砝码固定杆、配平杆、旋臂转动装置、托架和单片机；其特征是：立柱安装在底座上，托架通过转动接头安装在立柱上；托架上安装有转轴和旋臂转动装置，旋臂安装在转轴上，转轴与旋臂转动装置连接；旋臂上安装有应变计、砝码固定杆和配平杆，砝码固定杆和配平杆的轴线在同一直线上，砝码固定杆和配平杆的一端分别与应变计的两侧连接；托架上安装有挡光臂，挡光臂上设有挡光片；旋臂上还设置有测量向心力的力传感电路、测量挡光时间的光电门电路和单片机，力传感电路和光电门电路均与单片机连接，单片机上连接有无线发射器。
2.根据权利要求1所述的无线向心力实验器，其特征是：所述旋臂转动装置包括电机、主动带轮和被动带轮，电机固定在托架上，主动带轮安装在电机轴上，被动带轮安装在转轴上，主动带轮和被动带轮之间连接有皮带。
3.根据权利要求1所述的无线向心力实验器，其特征是：所述力传感电路包括应变计、电源基准芯片U1、运算放大器U2和运算放大器U4，电源基准芯片U1与应变计连接，应变计与运算放大器U2连接，运算放大器U2和运算放大器U4连接。
4.根据权利要求1所述的无线向心力实验器，其特征是：所述光电门电路采用槽型光电开关，该槽型光电开关安装在旋臂的一端。
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