[发明专利]基于LED发光摆球的轨迹测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构新颖的单摆轨迹测量装置及其测量方法，确切地 说，涉及一种基于LED发光摆球的轨迹测量装置与其测量方法，属于高等学 校的物理教学实验设备和实验方法的技术领域。

背景技术

简单的重力单摆和圆锥摆是高等学校的物理实验教学中所常用的振动模 型。在高校的物理实验教学实践中，当综合考虑大角度、切向初速度、阻尼和 没有外加驱动力的情况下，摆球的运动比较复杂，并非是在铅垂面内的运动或 圆锥摆运动，而是在一个球面上作二维摆动，通常称之为球面摆。如何记录球 面摆的运动轨迹是一个难点。

目前的球面摆实验的教学仪器的结构非常简单，只能作为演示仪器，测量 装置是用光电门测量摆动的周期，至今国内外都未见到有测量单摆或圆锥摆的 运动轨迹的实验装置。

单摆的摆球在铅垂平面内的来回往复摆动和圆锥摆的摆球在水平面上的旋 转运动是物理学中人们所熟悉的典型的振动模型。在教学实践中，常常遇到的 难题是：当把摆球从其平衡位置拉开后，对摆球所施加的初速度通常不能够保 证其分量全部集中于铅垂面内，这样就使得摆球将作二维摆动。现在通常只是 在放手时尽量减小切向初速度，以保证在实验过程中，肉眼无法准确辨别，就 可以基本满足实验条件了。

但是，国内外至今都还没有一种较好的实验设备或技术手段，能够采集摆 球的二维运动状态的相应数据，因此对影响摆球运动状态的原因也只能局限于 建立理论模型并对其进行理论分析。至于这种理论模型与分析是否符合实际情 况，以及影响摆球运动的因素到底有哪些，目前都只能用肉眼观察实验现象来 判断而已，缺乏一种实用的实验装置或轨迹测量装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于LED发光摆球的轨迹测量装置与 其测量方法，以便利用本发明的测量装置来记录球面摆的运动轨迹，从而验证 在不同初始条件下摆球产生的各种复杂运动的运动轨迹。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于发光二极管LED发光摆球的轨 迹测量装置，其特征在于：该装置包括：悬挂在支架或房顶天花板上的LED发 光摆球和数字照相机，其中，LED发光摆球是一个直径为25～40mm的金属球， 该金属球在其轴线设有两个相互贯通的大小通孔，位于底端的小孔内设有LED， 给该LED供电的电池和串接电阻与导线都位于小孔后端的大孔内；一个吊盖螺 固在该金属球的大孔端口，摆线两端分别拴于该吊盖中央的吊钩和紧固在天花 板或支架上，籍此构成一个内部嵌有LED和相关器件、且不影响该金属球的重 心与运动状态的发光摆球；数字照相机放置在该金属球的正下方，用于拍摄和 记录LED发光摆球在不同初速度条件下的各种摆动轨迹，并将拍摄图像送入PC 机存储、处理，以供观测和分析该LED发光摆球的运动轨迹。

所述金属球的材质为不锈钢或铜合金；其中的小孔直径为3～6mm，深 度不小于3～5mm，大孔直径为11～15mm，深度不小于18～30mm。

所述LED的直径不大于3mm，所述给该LED供电的电池为锂电池，型号 为CR1025或电压为3V、直径小于11mm的锂电池，电阻的阻值是1～5k；所述 摆线为尼龙线、金属线或棉线，摆线长度应大于1000mm。

所述数字照相机的型号没有特定要求，其像素应不低于800万，且设有 手控快门、即B快门和能够外接快门线。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于LED发光摆球的轨迹测量 装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步骤；

(1)初始化准备：

按照尺寸规定沿着金属球的轴线在其两端分别钻孔加工底部的小孔及位于 其顶端的大孔，并将大孔端口加工为内螺纹口；

将LED、锂电池、电阻和导线按照装置要求分别安装于金属球内，再将吊 盖螺固在该金属球的大孔端口；

将设定长度的摆线两端分别栓在吊盖和天花板或支架上，形成能够自由摆 动的LED发光摆球，再将数字照相机放置在发光摆球正下方的地面上；

(2)进行发光摆球的轨迹测量实验的操作：

关闭实验室的照明灯，拉上窗帘，使整个房间内的光线暗淡，只能看见发 光摆球内的LED发出的亮光；

启用数字照相机的B快门功能，利用外接快门线控制该数字照相机的快门 动作；