专利名称：显速离心轨道演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及实验器材技术领域，特别涉及一种显速离心轨道演示仪。
背景技术：
离心轨道演示仪是中学物理实验课程中用于演示物体在竖直平面内做完整的圆 周运动的条件的实验器材。参见图1和图2，中学校中常用的现有离心轨道演示仪，由基 座10和滑道20构成；滑到20安装于基座10上；滑道20为双轨滑道或槽形滑道，它包括 一下滑坡段21，以及一竖直设置、与下滑坡段平滑衔接的圆周螺旋段22;滑道的圆周螺 旋段22在竖直平面投影为一完整的圆周；还可在圆周螺旋段22的末端增设一延长段23 和挡块24，用于阻挡实验小球滑出。实验时，让一小球从滑道20下滑坡段21的某一位 置自由滑下，当小球的起滑位置足够高时，小球借助足够的重力势能转化的动能，就能 够在滑道的圆周弧形段22完成不脱离滑轨的完整圆周运动；教师借助该实验，向学生讲 解物体在竖直平面内做完整的圆周运动的条件，即该物体在竖直平面圆周运动的最高点
线速度v应满足其中Ji为物体做圆周运动的周半径，g为重力加速度参数。在讲解过程中，教师首先需要借助重力势能与动能的转化公式讲解小球利用一 定高度获得的速度，再借助向心力公式进行推导得出小球完成完整圆周运动其最高点线
速度v = #这一临界条件。然而，实验中轨道的摩擦是不可避免的，摩擦导致小球的
动能损耗，这种损耗并不能实际求得，从而以小球在滑道上的起滑位置高度并不能实际 推算出小球做圆周运动运动时的最高点线速度。这样，该演示实验也就仅仅能够定性的 演示小球能否在圆周螺旋段完成完整的圆周运动，而并不能够借助其演示实验直观的得 出小球完成完整圆周运动的定量条件，不便于学生直观的理解。
实用新型内容针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种带速度显示的 离心轨道演示仪，以解决现有离心轨道演示仪无法借助其演示实验直观得出小球在竖直 平面完成完整圆周运动的定量条件这一技术问题。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下显速离心轨道演示 仪，包括基座和滑道，该滑道包括一下滑坡段，以及一竖直设置、与下滑坡段平滑衔接 的圆周螺旋段；其特征在于，还包括两组接近开关，以及一个包括计时模块、微处理器 和显示模块的测速显示装置；所述接近开关与计时模块连接，两组接近开关的探头分别设置于滑道的圆周螺 旋段的最高点沿滑道轨迹的两侧；两组接近开关各自检测滑道的圆周螺旋段的最高点沿 滑道轨迹的一侧是否有物体通过，并分别在检测到物体时向计时模块发送检测信号；所述计时模块与微处理器连接，用于在线计时，并将接收到接近开关的检测信 号的时间值发送给微处理器；[0008]所述微处理器与显示模块连接，用于根据计时模块两次发送的时间值的差计算 物体通过两组接近开关的探头所在滑道弧线段的速度，并控制显示模块显示该速度值。为了保证测量误差在可接受的范围内，所述两组接近开关的探头之间的距离小 于等于4cm ；且作为优化，两组接近开关的探头与滑道的圆周螺旋段的最高点的距离相 等，由此使得在两组接近开关的探头之间的距离确定的前提下，计算得出的速度值与小 球通过滑道的圆周螺旋段的最高点的实际速度值之间的误差尽可能小。 所述接近开关采用红外对射接近开关或红外反射接近开关。 所述微处理器为单片机或嵌入式芯片。所述滑道和测速显示装置均安装在基座上，方便整体搬运。在使用本实用新型的显速离心轨道演示仪之前，需预先测出两组接近开关的探 头的弧线距离Z，将该Z值写入微处理器的计算程序中；然后在试验中，由测速显示装 置测出小球通过两组接近开关探头的时间差Δ ,从而通过编程求出小球通过两组接近 开关探头的平均速度;由于两组接近开关的探头之间的距离足够短(不超过 4cm)，因此可以将此平均速度i看作是小球通过滑道的圆周螺旋段的最高点时的瞬时线 速度ν ；然后再通过测量滑道的圆周螺旋段的周半径及，以重力加速度g作为另一已知参
数，即可直观的验证小球在竖直平面完成完整圆周运动其最高点线速度需满足 这一条件，从而让学生能够更直观的理解该定量条件，达到更好的实验教学效果。
图1为现有离心轨道演示仪的立体图；图2为现有离心轨道演示仪的主视图；图3为本实用新型显速离心轨道演示仪的结构示意图；图4为测速显示装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明参见图3，本实用新型的显速离心轨道演示仪是在现有离心轨道演示仪的基础上 增设了测速、显速系统；该主要测速、显速系统包括有两组接近开关，以及一个包括计 时模块51、微处理器52和显示模块53的测速显示装置50 ；滑道20和测速显示装置50 均安装在基座10上。接近开关可选用电子产品中常用的红外对射接近开关或红外反射接 近开关，共两组，分别为A组接近开关30和B组接近开关40; A组接近开关的探头31 设置于滑道20的圆周螺旋段22前半圆弧距离最高点2cm处，B组接近开关的探头41设 置于滑道20的圆周螺旋段22后半圆弧距离最高点2cm处，两探头之间的距离约为4cm ； 当在滑道上滑行的小球通过A组接近开关的探头31和B组接近开关的探头41所在位置 时，探头感测到小球对红外光线的阻挡(指红外对射接近开关)或反射(指红外反射接 近开关)，A组接近开关30和B组接近开关40就会发出检测信号。测速显示装置50是 一个包括计时模块51、微处理器52和显示模块53的综合功能电路单元，其结构框图如图 4所示；计时模块51可采用计数器来实现，它分别与两组接近开关和微处理器52连接，完成在线计时功能，并在接收到接近开关发送的检测信号时将即时的时间值发送给微处 理器；微处理器52可采用单片机或嵌入式芯片，除接收计时模块51发送的时间值以外， 它与显示模块53连接，用于根据计时模块两次发送的时间值的差计算物体通过两组接近 开关的探头所在滑道弧线段的速度，并控制显示模块53显示该速度值。本实施例中设计 了电池盒，用两节干电池为接近开关和测速显示装置供电。电源的设计也可采用其他的 常规方案，例如家用电源经变压器后为接近开关和测速显示装置供电等。在编写微处理器52的计算程序时，需要预先测出两组接近开关的探头在滑道20 的圆周螺旋段22上的弧线距离Z，然后在试验中，小球通过两组接近开关的探头，触发 两组接近开关先后发送检测信号给计时模块51，微处理器52根据计时模块51先后两次 接收到检测信号所发来的时间值的差Δ ,通过公式V = 即求得小球通过两组接近开 关探头的平均速度i ,以此平均速度▽作为小球通过滑道的圆周螺旋段的最高点时的瞬 时线速度^ ，显示在显示模块53上。此外，还可在程序中设置一个响应时长2,例如 i;=3s ;若微处理器52在收到计时模块51第一次发来的时间值，然而超过了响应时长Tt
依然没有收到计时模块51第二次发来的时间值，则可以断定小球在试验过程中仅通过了 A组接近开关的探头31所在位置，而没有通过B组接近开关的探头41所在位置，即小球 没有完成完整的圆周运动，此时微处理器52即重新返回待测状态，并控制显示模块53显 示出“Error”标识。本实施例中，离心轨道演示仪滑道的圆周螺旋段周半径 =10 ，根据物体平 面完成完整圆周运动的条件可知，只有当小球通过滑道的圆周螺旋段的最高点
时瞬时线速度ν大于等于lm/s时(取g=10m/s2)，小球才能在滑道的圆周螺旋段完成 完整的圆周运动。由此，学生在利用本实用新型的显速离心轨道演示仪进行实验时， 只需观测速显示装置的显示模块所显示的速度是否都大于或等于lm/s (否则就显示 "Error"标识)，即可直观的验证小球在竖直平面完成完整圆周运动其最高点线速度需
满足一定量条件，从而让学生 更容易理解和接受物理教学知识。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以 对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨 和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.显速离心轨道演示仪，包括基座和滑道，该滑道包括一下滑坡段，以及一竖直设 置、与下滑坡段平滑衔接的圆周螺旋段；其特征在于，还包括两组接近开关，以及一个 包括计时模块、微处理器和显示模块的测速显示装置；所述接近开关与计时模块连接，两组接近开关的探头分别设置于滑道的圆周螺旋段 的最高点沿滑道轨迹的两侧；两组接近开关各自检测滑道的圆周螺旋段的最高点沿滑道 轨迹的一侧是否有物体通过，并分别在检测到物体时向计时模块发送检测信号；所述计时模块与微处理器连接，用于在线计时，并将接收到接近开关的检测信号的 时间值发送给微处理器；所述微处理器与显示模块连接，用于根据计时模块两次发送的时间值的差计算物体 通过两组接近开关的探头所在滑道弧线段的速度，并控制显示模块显示该速度值。
2.根据权利要求1所述的显速离心轨道演示仪，其特征在于所述两组接近开关的 探头之间的距离小于等于4cm。
3.根据权利要求2所述的显速离心轨道演示仪，其特征在于所述两组接近开关的 探头与滑道的圆周螺旋段的最高点的距离相等。
4.根据权利要求1所述的显速离心轨道演示仪，其特征在于所述接近开关采用红 外对射接近开关或红外反射接近开关。
5.根据权利要求1所述的显速离心轨道演示仪，其特征在于所述微处理器为单片 机或嵌入式芯片。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的显速离心轨道演示仪，其特征在于所述滑道 和测速显示装置均安装在基座上。
专利摘要本实用新型提供一种显速离心轨道演示仪，包括基座和滑道，该滑道包括一下滑坡段，以及一竖直设置、与下滑坡段平滑衔接的圆周螺旋段；还包括两组接近开关，以及一个包括计时模块、微处理器和显示模块的测速显示装置；所述接近开关与计时模块连接，两组接近开关的探头分别设置于滑道的圆周螺旋段的最高点沿滑道轨迹的两侧；所述计时模块与微处理器连接；所述微处理器与显示模块连接。该装置在演示小球在竖直平面内做完整的圆周运动的演示实验中，能够直接显示出小球在圆周最高点附近的平均速度，便于学生直观的验证小球在竖直平面完成完整圆周运动其最高点线速度需满足这一定量条件，从而让学生更容易理解和接受物理教学知识。
文档编号G09B23/10GK201804477SQ20102053153
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者杨天才 申请人:重庆市第三十七中学校