[发明专利]一种傅科摆运动轨迹分析装置及其工作方法

说明书

本发明揭示了一种傅科摆运动轨迹分析系统及其工作方法，该系统包括傅科摆运动轨迹分析仪，用于对傅科摆进行控制和轨迹实时采集，PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接。本发明使用双伺服系统驱动傅科摆的运作，保证了每次演示都具有相同的初始机器能，为摆的运动提供了周期性的能量补偿。通过PC端显示控制主机实现了对傅科摆运动的光学影像和二维图像的实时采集。

技术领域

本发明涉及一种傅科摆运动轨迹分析装置及其实现方法，可应用于物理实验教学、科技馆展示技术领域。

背景技术

为了证明地球在自转，法国物理学家傅科于做了一次成功的摆动实验，傅科摆由此而得名。实验在法国巴黎先贤祠最高的圆顶下方进行，摆长67米，摆锤重28公斤，悬挂点经过特殊设计使摩擦减少到最低限度。这种摆惯性和动量大，因而基本不受地球自转影响而自行摆动，并且摆动时间很长。在傅科摆试验中，人们看到，摆动过程中摆动平面沿顺时针方向缓缓转动，摆动方向不断变化。

摆在摆动平面方向上并没有受到外力作用，按照惯性定律，摆动的空间方向不会改变，因而可知，这种摆动方向的变化，是由于观察者所在的地球沿着逆时针方向转动引起的，地球上的观察者看到相对运动现象，从而有力地证明了地球是在自转。

通过傅科摆展示仪的摆球运动轨迹的变化，可以使人们清晰地观察到地球自转对摆的影响。随着现代电子技术、计算机技术与经典物理实验的相结合，许多研究人员对傅科摆进行了改进。公开号CN 201681516U的发明专利，在傅科摆观测台的顶面设有与接收控制器的输出端电连接的显示屏。通过电子感应技术记录周期摆的运动轨迹，并通过对轨迹图像的分析，但是该装置在实际的操作中，没有克服空气阻力的影响，不利于长时间对运动轨迹的分析和研究。公开号CN 101038706A采用电磁铁对摆球进行了持续激励，并且该方向自动严格按照摆球的摆动方向，减小了仪器工作误差，同时采用了光电感应装置，大大地方便了同步信号测提取，便于演示和教学。但是该实验仪器，没有提供统一的初始装置激励源，每次需要手动释放摆球，且无法对摆球的运动数据进行实时处理。公开号CN 203606997 U，将单摆、电磁力驱动、傅科摆和弱电控融为一体，但是该仪器缺少对摆球轨迹的采集，无法准确地计算地球自转的角速度等参数。

因此，综上所述，虽然伺服系统被应用在了傅科摆中，大大的减少了摆球运动过程中的摩擦力，但是对傅科摆运动轨迹的采集、存储和分析，依然无法通过实验仪器得到的数据，精确的计算出地球自转的角速度、周期等参数。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种傅科摆运动轨迹分析装置及其实现方法，用于解决传统傅科摆无法长时间运作，不能对傅科摆运动轨迹进行采集、存储和分析，无法通过实精准的计算出地球自转的角速度、周期等参数的问题。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种傅科摆运动轨迹分析系统，包括：

傅科摆运动轨迹分析仪，用于对傅科摆进行控制和轨迹实时采集，

PC端显示控制主机，用于对傅科摆运动的光学影像和二维图像进行实时采集，计算地球的自转的角速度和周期，所述PC端显示控制主机通过数据中继系统采用有线传输或无线传输方式，把暂存的各参数控制指令数据发送到远程接收端，或PC端显示控制主机通过数据中继系统，把远程端发送来的视频数据接收到本地芯片缓存，所述傅科摆运动轨迹分析仪与PC端显示控制主机通过有线通信协议或无线通信协议进行连接，所述傅科摆运动轨迹分析仪通过双伺服电磁驱动装置驱动，并通过该装置保证该系统机械能守恒。

优选地，所述双伺服电磁驱动装置包括电磁铁和驱动电路，驱动电磁铁的铁芯为软铁。