[实用新型]智能单摆演示仪

说明书

技术领域

 本实用新型涉及物理教学的实验仪器，特别是一种智能单摆演示仪，它尤其适合老师在教学过程中作实验演示用。

背景技术

在现代物理教学科研工作过程中，实验课程是一个非常重要的教学环节，它能直观地展现演绎深奥的物理原理，这对增加教与学的趣味性、培养学生动手能力、强化对基本知识的理解能力进而提高教学质量水平都具有非常明显的效果。我们知道：在物理专业的教学课程中，“单摆原理”就是一个普遍公认的老师难以讲解、同学们又难以理解的“难点章节”，一般来说，老师常常要借助单摆仪反复多次地进行教学实验演示，才能勉强完成本章节的基本教学任务，但是最终的教学效果大都不尽理想。据调查了解，其主要原因就在于：现行的教学用单摆仪都是老师凭经验手动操作来启动摆体、然后采用人工数记摆次和秒表计量周期的方式进行演示操作，无庸置疑，在实际实验演示中常常存在着摆角估算误差较大、摆次记数不准确、时间测量精度低和操作不便的使用缺陷，这将直接影响“单摆原理”教学中所要建立“周期与摆长关系式”的准确严谨性。为保证并稳定教学成果，近来，已有一些改进的“单摆仪”教具面市，例如：能自动启摆的“磁力单摆”（专利号：200720044500.0），它在托盘上规律地分布多个磁铁,根据磁铁同性相斥异性相吸的原理,利用磁力能作动力源改变摆锤静止位置实现摆动。再如：采用分体结构能调节摆锤重量和摆长的“单摆”（专利号：98202596），其结构特点是：在底座表面设置２个孔，将竖杆插于孔中，短杆再插于竖杆孔内，再将支架的圆杆插于短杆上面，球形摆锤由上下两部分组成，可将一些橡皮泥置于下部摆锤内调节摆锤重量，上部摆锤连接一棉纶线悬挂于支架的刀口上面即可。虽然上述“单摆仪”都能进行单摆试验，但是，它们在使用中仍存在智能化水平低、实验测量数据误差大、操作使用不便、功能单一等技术缺陷，这也正是现行单摆教具还需要进一步改进和完善的地方。

实用新型内容

本实用新型的目的是在现有技术的基础上提出一种智能单摆演示仪，它利用数字智能技术进行自动起摆、控制设定摆长、周期测量和实验结果显示，简化了实验演示的繁琐操作，这对提高实验演示的操作效率和精确度进而优化物理教学成果都具有明显作用。

本实用新型的目的是按照如下技术方案来实现的：

一种智能单摆演示仪,它包括底座、立杆、绕线盘、安装于立杆的支线鼻架和拴挂于摆线下端的摆体，摆线的上端穿过支线鼻架缠装于绕线盘，其特征在于：在底座上安装有MCU最小系统和人机交互模块，所说的人机交互模块由键盘和液晶显示屏构成，在立杆上安装有驱动绕线盘的摆长控制模块、启动摆线的自动起摆模块和周期测量模块，所说的摆长控制模块、自动起摆模块和周期测量模块由一组导线与MCU最小系统相连接。在MCU最小系统中编程存入如下有关“单摆原理”的计算公式：

T = 2π[L/g]^1/2               式①  

 T_平均 = [T₁+T₂+······· ·· ·+T_n]/n      式②

其中：T为单摆周期（s）；    L为摆长（m）； 

G为重力加速度（m/s²）；n为测量周期的次数。

它是这样进行单摆实验教学演示工作的：首先开机进行初始化设置，通过人机交互模块的键盘输入设定摆线的长度值、起摆的次数和所要测量周期的次数。输入起摆指令时，摆长控制模块的数字舵机启动将驱动绕线盘转动调节控制摆线摆长至所设定的长度；自动起摆模块的数字舵机启动将带动启摆曲鼻在一定摆幅内牵引摆线左右摆动进行起摆操作，当达到所设定“起摆的次数”时，数字舵机停止工作并使启摆曲鼻自然下垂停止于中间位置，即为单摆摆线的上端固定点，也是摆长计算起点。至此，摆体将进入正常的摆动状态，可由激光发射管和接收管构成的周期测量模块精确捕捉摆体的摆动次数并测量周期，当摆动次数达到所设定“测量周期的次数”时，即可由MCU最小系统进行运算处理并在液晶显示屏上直接显示出：摆线摆长的长度值、起摆的次数、测量周期的次数和所测量的周期（T_平均）等数据。本实用新型是利用数字电子技术制成的智能单摆，它能够精确地设定调节控制摆长、起摆的次数、摆角和测量周期的次数等多个实验参数，在实际教学演示中，它能自动进行起摆、准确记录摆动次数、精确测量周期和运算处理并显示测量结果的全过程操作，具有实验操作方便简捷、省力省时效率高、测量数据精确和演示直观可信的突出优点，对改进和优化物理实验教学科研工作具有明显效果。