[实用新型]显速离心轨道演示仪

说明书

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 应满足，其中为物体做圆周运动的周半径，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；

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L，将该L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，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；然后再通过测量滑道的圆周螺旋段的周半径R，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。 

附图说明

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

下面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：