[发明专利]无线向心力实验器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于定量研究向心力大小与旋转半径大小、物体质量大小、旋转速度大小之间关系的向心力实验器，属于实验教学技术领域。

背景技术

向心力实验中要研究向心力和旋转半径、物体质量及旋转速度之间的关系。目前，有各种结构形式的向心力实验器，如中国专利文献CN87200733 、CN2373853和CN201004282公开的《向心力实验器》，但这些现有的能够完成定量测量，但无法使用传感器完成测量数据，与现代化电子设备（计算机、投影机等）不能连用；有的虽然可以通过传感器完成实验，但向心力实验器结构复杂、安装繁琐，且采用有线连接的传感器，利用复杂的转向连杆将力传到力传感器，由于受连杆质量及传动摩擦力的影响，造成较大的实验误差，并且现有的实验器只能研究在水平面上旋转的实验，实验条件受到了很大的限制性。

发明内容

为了克服现有向心力实验器安装繁琐、实验误差大以及局限于水平方向旋转的问题，本发明提供一种无线向心力实验器，该实验器采用无线通讯、安装简单、可以自由改变旋转面角度。

本发明的无线向心力实验器采用以下技术方案：

该无线向心力实验器，包括底座、立柱、转动接头、挡光臂、旋臂、应变计、砝码固定杆、配平杆、旋臂转动装置、托架和单片机；立柱安装在底座上，托架通过转动接头安装在立柱上；托架上安装有转轴和旋臂转动装置，旋臂安装在转轴上，转轴与旋臂转动装置连接；旋臂上安装有应变计、砝码固定杆和配平杆，砝码固定杆和配平杆的轴线在同一直线上，砝码固定杆和配平杆的一端分别与应变计的两侧连接；托架上安装有挡光臂，挡光臂上设有挡光片；旋臂上还设置有测量向心力的力传感电路、测量挡光时间的光电门电路和单片机，力传感电路和光电门电路均与单片机连接，单片机上连接有无线发射器。无线发射器通过无线方式与无线接收器连接，无线接收器连接至计算机。

旋臂转动装置包括电机、主动带轮和被动带轮，电机固定在托架上，主动带轮安装在电机轴上，被动带轮安装在转轴上，主动带轮和被动带轮之间连接有皮带。

力传感电路包括应变计、电源基准芯片U1、运算放大器U2和运算放大器U4，电源基准芯片U1与应变计连接，应变计与运算放大器U2连接，运算放大器U2和运算放大器U4连接。电源基准芯片U1为应变计进行供电，应变计的输出进入运算放大器U2进行信号放大。运算放大器U4为U2提供偏置电压。

光电门电路采用槽型光电开关，该槽型光电开关安装在旋臂的一端。旋臂旋转时时，槽型光电开关随之旋转，到达挡光片位置时，挡光片插在槽型光电开关中，测量挡光时间，将挡光时间转换为旋臂的角速度ω。

上述无线向心力实验器，使用时将砝码固定在砝码固定杆上，通过改变砝码的位置可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系，改变同一位置砝码的质量可以研究相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，通过改变旋臂的旋转角度可以研究不同旋转角度下向心力与哪些因素有关。通过主控电路采集向心力和挡光时间两个物理量信号，主控电路处理后将向心力的大小和挡光时间两个数据通过无线发射器无线传输至无线接收器，无线接收器将数据传输至计算机，由计算机中的软件进行数据处理。

本发明结构简单、操作方便，减小了结构造成的实验误差，不仅可以研究相同质量下向心力和旋转半径的关系、相同旋转半径下向心力和旋转半径的关系，还可以改变旋转角度以研究不同旋转角度下向心力的有关因素，同时实现了数据的无线传输。

附图说明

图1是本发明无线向心力实验器的结构示意图。

图2是本发明中单片机部分的原理图。

图3是本发明中电源电路的原理图。

图4是本发明中光电门电路的原理图。

图5是本发明中蓝牙无线发射电路的原理图。

图6是本发明中力传感电路的原理图。

图7是本发明中无线接收器的电路原理图。

图8是实验中相同砝码质量、不同旋转半径下向心力和角速度的曲线图。

图9是实验中向心力和角速度的平方的关系曲线图。

图10是实验中选取F值的界面图。

图11是实验中向心力和旋转半径的关系曲线图。

图12是实验中相同旋转半径、不同砝码质量下向心力和角速度之间的曲线图。

图13是实验中向心力和砝码质量的关系曲线图。