基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于运动学实验教学演示实验装置领域，特别是涉及到一种基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置及方法。
【背景技术】
[0002]科氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度，其在理论力学及运动学中教学占有较大比重。目前现有的科氏加速度实验仪器功能的单一，无法兼具教学演示实验功能，且现象不明显或实验过程枯燥，无法激发学生实验兴趣，造成科氏加速度理论教学困难。同时部分实验仪器结构庞大，不利于搬运，且只具备单纯演示功能，缺少数据采集或反馈功能，与现有多媒体网络设备关联性较低，无法在试验后作出具有数据支撑的实验报告，给实验和教学造成不同程度的阻碍。
[0003]因此现有技术当中亟需要一种新的技术方案来解决这一问题。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置及方法，用来解决现有的科氏加速度实验仪器功能的单一，无法兼具教学演示实验功能，且现象不明显或实验过程枯燥，无法激发学生实验兴趣，且只具备单纯演示功能，缺少数据采集或反馈功能，与现有多媒体网络设备关联性较低，无法在试验后作出具有数据支撑的实验报告，给实验和教学造成不同程度的阻碍等技术问题。
[0005]基于物理仿真型态下科氏加速度的演示与计算装置，包括相对运动装置、牵连运动装置、检测装置和电器装置；
[0006]其中相对运动装置包括有轨道、轨道托架、轨道支架、轨道车；牵连运动装置包括有箱体、电机、主动轮、V型带、从动轮轴、从动轮、转盘；检测装置包括有测速传感器1、测速传感器I1、测速传感器II支架、光栅盘；电器装置包括控制面板、电源开关、转盘速度调节旋钮、速度显示屏1、速度显示屏I1、转接器、电机启动开关、电机正转切换开关、电机反转切换开关、轨道车启停遥控器、通信接口 ；
[0007]所述相对运动装置固定安装在转盘上且数量为2个，这两个相对运动装置位于以从动轮轴为圆心的同一直径上，且与圆心呈对称分布；
[0008]所述轨道与轨道托架固定连接；所述轨道托架通过销轴与轨道支架连接；所述轨道支架固定安装在转盘的上部；所述轨道车通过齿轮啮合与轨道连接，使轨道车沿轨道的内径做圆周运动，轨道车的内部设置有遥控开关感应部件；
[0009]所述箱体为无上盖的箱式结构并且为透明材质，可以直接通过箱体观察内部各个装置的运行情况，便于演示教学；所述电机通过螺栓固定安装在箱体的内底部；所述的主动轮与电机同轴连接，主动轮通过V型带与从动轮连接；所述的从动轮通过从动轮轴和轴承固定安装在箱体的内底部；所述转盘与从动轮同轴并且固定连接；
[0010]所述测速传感器I分为两部分，一部分固定安装在轨道上并通过导线和单片机与控制面板连接，另一部分固定安装在轨道车上，通过电磁感应对轨道车进行测速；所述测速传感器II数量为2个，并且均通过测速传感器II支架固定在箱体的内底部，两个测速传感器II位于以从动轮轴为圆心的同一直径上，且与圆心呈对称分布；所述光栅盘的内径与转接器的外部固定连接，光栅盘的外边缘位于测速传感器II的感应区间内，并与测速传感器II之间有2_?3_的间隙；
[0011]所述控制面板固定安装在箱体的外侧壁上，控制面板上设置有电源开关、转盘速度调节旋钮、速度显示屏1、速度显示屏I1、电机启动开关、电机正转切换开关、电机反转切换开关和通信接口 ；所述转盘速度调节旋钮用来控制电机在正转或者反转时转盘的转速；电源开关用来实现整个装置的电源接通或断开；电机启动开关用来控制电机的开启或停止；电机正转切换开关用来控制电机切换至正转状态；电机反转切换开关用来控制电机切换至反转状态；所述速度显示屏I用来显示轨道车的速度；所述速度显示屏II用来显示转盘的转速；所述转接器的内径与从动轮轴固定连接并实现转盘在转动过程中的电力供应和信号传输。
[0012]一种基于物理仿真型态下科氏加速度的演示与计算的方法，包括以下操作流程:
[0013]步骤一、将通讯接口通过数据线与计算机连接；
[0014]步骤二、启动电源开关，速度显示屏1、速度显示屏II接通电源点亮，速度显示屏I显示为0.00cm/s,速度显示屏II显示为0.00rad/s，进入计算机的采集数据界面，准备工作就绪；
[0015]步骤三:启动电机启动开关，将电机置于待机状态；
[0016]步骤四:启动电机正转切换开关，电机开始正转运行，电机通过V型带带动从动轮旋转，从动轮带动转盘顺时针旋转，速度显示屏II显示转盘的顺时针实时转速ω ;启动电机反转切换开关，电机开始反转运行，从动轮带动转盘逆时针旋转，速度显示屏II显示转盘的逆时针实时转速ω ；
[0017]步骤五:调节转盘速度调节旋钮，并依据速度显示屏II的显示结果，将转盘转速值设定为Orad/s?40rad/s区间内的一个值，并将该设定值保持稳定；
[0018]步骤六:通过轨道车启停遥控器同时启动两个轨道车，使两个轨道车分别沿各自轨道的内径做相对反向的圆周运动；
[0019]步骤七:通过速度显示屏I显示轨道车车速I数值处于11.40cm/s?11.80cm/s正常工作状态，操作者根据速度显示屏1、速度显示屏II显示的数值采集数据并记录，同时数据通过通信接口传输到计算机，并在计算机上显示波形图；
[0020]步骤八:重复操作步骤四?步骤七五次，采集五组转盘的转速ω和轨道车车速I数据；
[0021]步骤九:首先按下电机启动开关电机停止转动，然后按下电源开关切断设备供电，最后将转盘速度调节旋钮、电机正转切换开关、电机反转切换开关顺次复位；
[0022]步骤十:按下轨道车启停遥控器停止轨道车；
[0023]步骤十一:依据上述步骤采集到的五组数据，采用科氏加速度ak的公式a k =2?XVr,计算出5组科氏加速度ak的数据，将计算出的5组科氏加速度a k数据与计算机上显示的波形图对比，验证计算出的数据的准确性。
[0024]所述的轨道支架数量为2个，且两个轨道支架的高度差为3cm?5cm。
[0025]所述的电机为步进式电机或直流电机。
[0026]有益效果:1、本发明是一种与当前现有技术完全不同的教学演示实验装置和实验测试装置，旨在模拟牵连运动为转动时与相对运动相互耦合所产生的科氏加速度，并通过牵连运动和相对运动速度分测，提高了测量精度。
[0027]2、本发明提供基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算方法，其测量结果通过显示屏分屏显示，便于记录和观察实验数据变化。实验装置选择地面为定系，轨道为动系，轨道车为动点。实验装置底部的转盘带动轨道相对地面做牵连运动，转动的角速度为ω。轨道车相对轨道做相对运动，相对速度为\。通过轨道相对地面的转动和轨道车的相对运动相互耦合从而产生科氏加速度ak。根据公式ak= 2 ω XV P计算出科氏加速度ak的数值。
[0028]3、本发明使得相对运动与牵连运动的运动平面相互垂直，使动点的运动成为空间运动；可以实时检测转盘速度与轨道车运转速度，实验现象更加直观，而且转盘速度可调，便于观察。
[0029]4、本发明的箱体为透明材质，便于观察和教学演示，同时两个轨道支架的高度差为3cm?5cm，可以在不使用时将轨道折叠进箱体，在保护了实验装置的同时节省了占用的空间。
【附图说明】
[0030]以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的说明:
[0031]图1为本发明基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置的主视示意图。
[0032]图2为本发明基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置的左视示意图。
[0033]图3为本发明基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置的俯视示意图。
[0034]图4为本发明基于物理仿真形态下科氏加速度的演示与计算装置及方法的操作流程图。
[0035]图中1-轨道、2-轨道托架、3-轨道支架、4-轨道车、5-箱体、6-电机、7_主动轮、8-V型带、9-从动轮轴、10-从动轮、11-转盘；12_测速传感器1、13-测速传感器I1、14-测速传感器II支架、15-光栅盘、16-控制面板、17-电源开关、18-转盘速度调节旋钮、19-速度显示屏1、20_速度显示屏I1、21_转接器、22-电机启动开关、23-电机正转切换开关、24-电机反转切换开关、25-轨道车启停遥控器、26-通信接口。
【具体实施方式】
[0036]如图所示，本发明基于物理仿真型态下科氏加速度的演示与计算装置，包括相对运动装置、牵连运动装置、检测装置和电器装置；
[0037]其中相对运动装置包括有轨道1、轨道托架2、轨道支架3、轨道车4 ;牵连运动装置包括有箱体5、电机6、主动轮7、V型带8、从动轮轴9、从动轮10、转盘11 ;检测装置包括有测速传感器I 12、测速传感器II 13、测速传感器II支架14、光栅盘15 ;电器装置包括控制面板16、电源开关17、转盘速度调节旋钮18、速度显示屏I 19、速度显示屏II 20、转接器21、电机启动开关22、电机正转切换开关23、电机反转切换开关24、轨道车启停遥控器25、通信接口 26 ；
[0038]所述相对运动装置固定安装在转盘11上且数量为2个，这两个相对运动装置位于以从动轮轴9为圆心的同一直径上，且与圆心呈对称分布；
[0039]所述轨道I与轨道托架2固定连接；所述轨道托架2通过销轴与轨道支架3连接；所述轨道支架3固定安装在转盘11的上部；所述轨道车4通过齿轮啮合与轨道I连接，使轨道车4沿着轨道I的内径做圆周运动，轨道车4的内部设置有遥控开关感应部件；
[0040]所述箱体5为无上盖的箱式结构并且为透明材质，可以直接通过箱体5观察内部各个装置的运行情况，便于演示教学；所述电机6通过螺栓固定安装在箱体5的内底部；所述的主动轮7与电机6同轴连接，主动轮7通过V型带8与从动轮10连接；所述的从动轮10通过从动轮轴9和轴承固定安装在箱体5的内底部；所述转盘11与从动轮10同轴并且固定连接；
[0041]所述测速传感器I 12分为两部分，一部分固定安装在轨道I上并通过导线和单片机与控制面板16连接，另一部分固定安装在轨道车4上，通过电磁感应对轨道车4进行测速；所述测速传感器II 13数量为2个，并且均通过测速传感器II支架14固定在箱体5的内底部，两个测速传感器II 13位于以从动轮轴9为圆心的同一直径上，且与圆心呈对称分布；所述光栅盘15的内径