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      基于led發(fā)光擺球的軌跡測量裝置及其測量方法

      文檔序號:2584600閱讀:178來源:國知局
      專利名稱:基于led發(fā)光擺球的軌跡測量裝置及其測量方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)新穎的單擺軌跡測量裝置及其測量方法,確切地說,涉及一種基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置與其測量方法,屬于高等學(xué)校的物理教學(xué)實驗設(shè)備和實驗方法的技術(shù)領(lǐng)域。
      背景技術(shù)
      簡單的重力單擺和圓錐擺是高等學(xué)校的物理實驗教學(xué)中所常用的振動模型。在高校的物理實驗教學(xué)實踐中,當(dāng)綜合考慮大角度、切向初速度、阻尼和沒有外加驅(qū)動力的情況下,擺球的運動比較復(fù)雜,并非是在鉛垂面內(nèi)的運動或圓錐擺運動,而是在一個球面上作二維擺動,通常稱之為球面擺。如何記錄球面擺的運動軌跡是一個難點。目前的球面擺實驗的教學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)非常簡單,只能作為演示儀器,測量裝置是用光電門測量擺動的周期,至今國內(nèi)外都未見到有測量單擺或圓錐擺的運動軌跡的實驗裝置。單擺的擺球在鉛垂平面內(nèi)的來回往復(fù)擺動和圓錐擺的擺球在水平面上的旋轉(zhuǎn)運動是物理學(xué)中人們所熟悉的典型的振動模型。在教學(xué)實踐中,常常遇到的難題是當(dāng)把擺球從其平衡位置拉開后,對擺球所施加的初速度通常不能夠保證其分量全部集中于鉛垂面內(nèi),這樣就使得擺球?qū)⒆鞫S擺動?,F(xiàn)在通常只是在放手時盡量減小切向初速度,以保證在實驗過程中,肉眼無法準(zhǔn)確辨別,就可以基本滿足實驗條件了。但是,國內(nèi)外至今都還沒有一種較好的實驗設(shè)備或技術(shù)手段,能夠采集擺球的二維運動狀態(tài)的相應(yīng)數(shù)據(jù),因此對影響擺球運動狀態(tài)的原因也只能局限于建立理論模型并對其進(jìn)行理論分析。至于這種理論模型與分析是否符合實際情況,以及影響擺球運動的因素到底有哪些,目前都只能用肉眼觀察實驗現(xiàn)象來判斷而已,缺乏一種實用的實驗裝置或軌跡測量裝置。

      發(fā)明內(nèi)容
      有鑒于此,本發(fā)明的目的是提供一種基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置與其測量方法,以便利用本發(fā)明的測量裝置來記錄球面擺的運動軌跡,從而驗證在不同初始條件下擺球產(chǎn)生的各種復(fù)雜運動的運動軌跡。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種基于發(fā)光二極管LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置,其特征在于該裝置包括懸掛在支架或房頂天花板上的LED發(fā)光擺球和數(shù)字照相機,其中,LED發(fā)光擺球是一個直徑為25 40mm的金屬球,該金屬球在其軸線設(shè)有兩個相互貫通的大小通孔,位于底端的小孔內(nèi)設(shè)有LED,給該LED供電的電池和串接電阻與導(dǎo)線都位于小孔后端的大孔內(nèi);一個吊蓋螺固在該金屬球的大孔端口,擺線兩端分別拴于該吊蓋中央的吊鉤和緊固在天花板或支架上,籍此構(gòu)成一個內(nèi)部嵌有LED和相關(guān)器件、且不影響該金屬球的重心與運動狀態(tài)的發(fā)光擺球;數(shù)字照相機放置在該金屬球的正下方,用于拍攝和記錄LED發(fā)光擺球在不同初速度條件下的各種擺動軌跡,并將拍攝圖像送入PC機存儲、
      3處理,以供觀測和分析該LED發(fā)光擺球的運動軌跡。所述金屬球的材質(zhì)為不銹鋼或銅合金;其中的小孔直徑為3 6mm,深度不小于 3 5mm,大孔直徑為11 15mm,深度不小于18 30mm。所述LED的直徑不大于3mm,所述給該LED供電的電池為鋰電池,型號為CR1025或電壓為3V、直徑小于Ilmm的鋰電池,電阻的阻值是1 證;所述擺線為尼龍線、金屬線或棉線,擺線長度應(yīng)大于1000mm。所述數(shù)字照相機的型號沒有特定要求,其像素應(yīng)不低于800萬,且設(shè)有手控快門、 即B快門和能夠外接快門線。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明還提供了一種基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置的測量方法,其特征在于,所述方法包括下列操作步驟;(1)初始化準(zhǔn)備按照尺寸規(guī)定沿著金屬球的軸線在其兩端分別鉆孔加工底部的小孔及位于其頂端的大孔,并將大孔端口加工為內(nèi)螺紋口 ;將LED、鋰電池、電阻和導(dǎo)線按照裝置要求分別安裝于金屬球內(nèi),再將吊蓋螺固在該金屬球的大孔端口;將設(shè)定長度的擺線兩端分別栓在吊蓋和天花板或支架上,形成能夠自由擺動的 LED發(fā)光擺球,再將數(shù)字照相機放置在發(fā)光擺球正下方的地面上;(2)進(jìn)行發(fā)光擺球的軌跡測量實驗的操作關(guān)閉實驗室的照明燈,拉上窗簾,使整個房間內(nèi)的光線暗淡,只能看見發(fā)光擺球內(nèi)的LED發(fā)出的亮光;啟用數(shù)字照相機的B快門功能,利用外接快門線控制該數(shù)字照相機的快門動作;將發(fā)光擺球拽離平衡位置,然后放手,使得該發(fā)光擺球開始擺動起來;等到該發(fā)光擺球的運動穩(wěn)定后,啟動數(shù)字照相機的快門,開始拍攝和存儲該發(fā)光擺球的擺動軌跡;直到擺球運動足夠長的時間后,才停止拍攝,結(jié)束測量操作。所述步驟O)中,將發(fā)光擺球拽離平衡位置時,包括下列供選擇的實驗操作內(nèi)容對發(fā)光擺球沒有推力的自由擺動,其擺球軌跡為一條直線;按照設(shè)定方向再施加大小不等的推力后的自由擺動,當(dāng)推力很小時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的直線;當(dāng)推力較大時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的橢圓;當(dāng)推力很大時,其運動軌跡為快速旋轉(zhuǎn)的橢圓。發(fā)光二極管LED (Light Emitting Diode)是一種能夠直接把電轉(zhuǎn)化為光的固態(tài)半導(dǎo)體器件,具備許多優(yōu)點,例如體積小,重量輕,耗電量低(直流驅(qū)動、超低功耗,通常的工作電壓是2 3. 6V,工作電流是0. 005 0. 03A,即電能消耗不超過0. Iff,實際能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20 30%,比白熾燈節(jié)能約90% ),使用壽命長,高亮度,低熱量,環(huán)保和堅固耐用 (LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂內(nèi),比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)沒有松動部分,不易損壞)。本發(fā)明基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置利用結(jié)構(gòu)簡單、功效非常優(yōu)異的LED構(gòu)成發(fā)光擺球,再利用其他很容易尋找與價廉的器材組成該軌跡測量裝置,采用很簡易的相關(guān)操作,重現(xiàn)簡單的物理現(xiàn)象和工作原理,實現(xiàn)了多年以來沒有解決的采集復(fù)雜運動軌跡數(shù)據(jù)的功能,還解決了單擺處于二維運動狀態(tài)中的實驗數(shù)據(jù)的采集問題。
      本發(fā)明裝置作為性能優(yōu)異、成本低廉、容易普及的高校物理實驗教學(xué)設(shè)備,能夠在教學(xué)中提高同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣,更好地啟發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此,本發(fā)明具有很好的推廣應(yīng)用前景。


      圖1是本發(fā)明內(nèi)置LED擺球的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2是本發(fā)明基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置實施例示意圖。圖3 (A)、⑶、(C)分別是本發(fā)明軌跡測量裝置的三個測試實施例的實驗結(jié)果示意圖。圖4是本發(fā)明軌跡測量裝置實施例中的擺球受力狀態(tài)示意圖。圖5是本發(fā)明軌跡測量裝置中實施例中的理論模擬的結(jié)果示意圖。
      具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚,下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。眾所周知,發(fā)光二極管LED是目前應(yīng)用非常廣泛的新型能源。LED光具有很強的方向性,且其體積很小,重量較輕。本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是將LED及電池都安裝到金屬擺球中, 制作成一個發(fā)光擺球,用它來驗證球面擺在不同初速度條件下的運動軌跡。本發(fā)明較好地解決了擺球運動軌跡的測量問題,為多年未解決的上述復(fù)雜物理問題的理論與實踐的結(jié)合提供了良好的技術(shù)手段。球面擺運動軌跡的記錄重點或關(guān)鍵是如何設(shè)計、制造和組裝發(fā)光擺球,既需要將 LED及鋰電池置于擺球中,又不能影響擺球的重心和運動狀態(tài)。參見圖1,先介紹本發(fā)明軌跡測量裝置中的LED發(fā)光擺球的結(jié)構(gòu)組成LED發(fā)光擺球是一個直徑為25 40mm的金屬球1 (材質(zhì)為不銹鋼或銅合金),該金屬球1在其軸線設(shè)有兩個相互貫通的大小通孔,位于底端的小孔(直徑為3 6mm,深度不小于3 5mm)用于放置LED2,位于頂端、S卩小孔后端的大孔(直徑為11 15mm,深度不小于18 30mm)內(nèi)則用于放置給該LED供電的電池3和串接的電阻4與導(dǎo)線5。其中的LED2的直徑不大于 3mm,給該LED2供電的電池3為鋰電池,型號為CR1025或電壓為3V、直徑小于Ilmm的其他鋰電池,電阻4的阻值是1 證。擺線為尼龍線、金屬線或棉線,擺線長度應(yīng)大于1000mm。 在該金屬球1的大孔端口螺固一個金屬吊蓋6,吊蓋6中央的吊鉤上拴有擺線7。擺線另一端緊固在天花板8或支架上(參見圖2,),籍此構(gòu)成一個內(nèi)部嵌有LED2 和相關(guān)器件、且不影響該金屬球的重心與運動狀態(tài)的發(fā)光擺球。數(shù)字照相機9放置在該金屬球1的正下方的地面上,用于拍攝和記錄LED發(fā)光擺球在不同初速度條件下的各種運動軌跡,并將拍攝圖像送入PC機存儲、處理,以供觀測和分析該LED發(fā)光擺球的運動軌跡。數(shù)字照相機9的型號沒有特定要求,只需要其像素不低于800萬,且設(shè)有手控快門、即B快門和能夠外接快門線。下面介紹本發(fā)明基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置的測量方法的實施例的下列操作步驟步驟1,初始化準(zhǔn)備
      (11)按照尺寸規(guī)定沿著金屬球的軸線在其兩端分別鉆孔加工底部的小孔及位于其頂端的大孔,并將大孔端口加工為內(nèi)螺紋口 ;該金屬球為直徑30mm的不銹鋼球,小孔直徑3mm、深5mm,大孔直徑12mm、深25mm。(12)將1個直徑3mm的LED、1片鋰電池(CR1025)、1個Ik電阻和導(dǎo)線按照裝置要求分別安裝于不銹鋼金屬球內(nèi),再將吊蓋螺固在該金屬球的大孔端口。(13)將長度為1. 3m的擺線兩端分別栓在吊蓋和高度為2. 5m的天花板上,形成能夠自由擺動的LED發(fā)光擺球,再將數(shù)字照相機(型號為Nikon D90,18 105mm lens,F3. 5) 放置在發(fā)光擺球正下方的地面上(如圖2所示),就構(gòu)成了本發(fā)明的基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置。步驟2,進(jìn)行發(fā)光擺球的軌跡測量實驗的操作(21)開始實驗關(guān)閉實驗室的照明燈,拉上窗簾,使整個房間內(nèi)的光線暗淡,只能看見發(fā)光擺球內(nèi)的LED發(fā)出的亮光。(22)啟用數(shù)字照相機的B快門功能,利用外接快門線控制該數(shù)字照相機的快門動作;(23)將發(fā)光擺球拽離平衡位置,然后放手,使得該發(fā)光擺球開始擺動起來;等到該發(fā)光擺球的運動穩(wěn)定后,啟動數(shù)字照相機的快門,開始拍攝和存儲該發(fā)光擺球的擺動軌跡。該步驟中,將發(fā)光擺球拽離平衡位置時,包括下列供選擇的實驗操作內(nèi)容(23A)對發(fā)光擺球沒有推力的自由擺動,其擺球軌跡為一條直線。(23B)按照設(shè)定方向(即沿著圖2中的箭頭方向)再施加大小不等的推力后的自由擺動,當(dāng)推力很小時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的直線(參見圖3(a));當(dāng)推力較大時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的橢圓(參見圖3(b));當(dāng)推力很大時,其運動軌跡為快速旋轉(zhuǎn)的橢圓 (參見圖3(c))。申請人:還通過建立理論模型來驗證本發(fā)明實施例測量結(jié)果的正確性。參見圖4,介紹本發(fā)明擺球的受力狀態(tài)分析,即利用本發(fā)明實驗裝置中的球的動力學(xué)方程,建立理論模型來驗證測量結(jié)果的正確性。該擺球的受力狀態(tài)分析是在汐,妁極坐標(biāo)系下,該擺球的拉格朗日函數(shù)為
      權(quán)利要求
      1.一種基于發(fā)光二極管LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置,其特征在于該裝置包括懸掛在支架或房頂天花板上的LED發(fā)光擺球和數(shù)字照相機,其中,LED發(fā)光擺球是一個直徑為25 40mm的金屬球,該金屬球在其軸線設(shè)有兩個相互貫通的大小通孔,位于底端的小孔內(nèi)設(shè)有LED,給該LED供電的電池和串接電阻與導(dǎo)線都位于小孔后端的大孔內(nèi);一個吊蓋螺固在該金屬球的大孔端口,擺線兩端分別拴于該吊蓋中央的吊鉤和緊固在天花板或支架上,籍此構(gòu)成一個內(nèi)部嵌有LED和相關(guān)器件、且不影響該金屬球的重心與運動狀態(tài)的發(fā)光擺球;數(shù)字照相機放置在該金屬球的正下方,用于拍攝和記錄LED發(fā)光擺球在不同初速度條件下的各種擺動軌跡,并將拍攝圖像送入PC機存儲、處理,以供觀測和分析該LED發(fā)光擺球的運動軌跡。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡測量裝置,其特征在于所述金屬球的材質(zhì)為不銹鋼或銅合金;其中的小孔直徑為3 6mm,深度不小于3 5mm,大孔直徑為11 15mm,深度不小于18 30mm。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡測量裝置,其特征在于所述LED的直徑不大于3mm,所述給該LED供電的電池為鋰電池,型號為CR1025或電壓為3V、直徑小于Ilmm的鋰電池,電阻的阻值是1 5k ;所述擺線為尼龍線、金屬線或棉線,擺線長度應(yīng)大于1000mm。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軌跡測量裝置,其特征在于所述數(shù)字照相機的型號沒有特定要求,其像素應(yīng)不低于800萬,且設(shè)有手控快門、即B快門和能夠外接快門線。
      5.一種基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置的測量方法,其特征在于,所述方法包括下列操作步驟;(1)初始化準(zhǔn)備按照尺寸規(guī)定沿著金屬球的軸線在其兩端分別鉆孔加工底部的小孔及位于其頂端的大孔,并將大孔端口加工為內(nèi)螺紋口 ;將LED、鋰電池、電阻和導(dǎo)線按照裝置要求分別安裝于金屬球內(nèi),再將吊蓋螺固在該金屬球的大孔端口;將設(shè)定長度的擺線兩端分別栓在吊蓋和天花板或支架上,形成能夠自由擺動的LED發(fā)光擺球,再將數(shù)字照相機放置在發(fā)光擺球正下方的地面上;(2)進(jìn)行發(fā)光擺球的軌跡測量實驗的操作關(guān)閉實驗室的照明燈,拉上窗簾,使整個房間內(nèi)的光線暗淡,只能看見發(fā)光擺球內(nèi)的 LED發(fā)出的亮光;啟用數(shù)字照相機的B快門功能,利用外接快門線控制該數(shù)字照相機的快門動作;將發(fā)光擺球拽離平衡位置,然后放手,使得該發(fā)光擺球開始擺動起來;等到該發(fā)光擺球的運動穩(wěn)定后,啟動數(shù)字照相機的快門,開始拍攝和存儲該發(fā)光擺球的擺動軌跡;直到擺球運動足夠長的時間后,才停止拍攝,結(jié)束測量操作。
      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,所述步驟(2)中,將發(fā)光擺球拽離平衡位置時,包括下列供選擇的實驗操作內(nèi)容對發(fā)光擺球沒有推力的自由擺動,其擺球軌跡為一條直線;按照設(shè)定方向再施加大小不等的推力后的自由擺動,當(dāng)推力很小時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的直線;當(dāng)推力較大時,其運動軌跡為逐漸旋轉(zhuǎn)的橢圓;當(dāng)推力很大時,其運動軌跡為快速旋轉(zhuǎn)的橢圓。
      全文摘要
      一種基于LED發(fā)光擺球的軌跡測量裝置及其測量方法,該裝置由懸掛的LED發(fā)光擺球和數(shù)字照相機組成,LED發(fā)光擺球是一個金屬球,其軸線設(shè)有兩個貫通的大小通孔,底端小孔內(nèi)有LED,電池、電阻和導(dǎo)線在大孔內(nèi);大孔端口螺固的吊蓋中央的吊鉤上栓有擺線,擺線另一端緊固在天花板或支架上,籍此構(gòu)成一個內(nèi)部嵌有LED和相關(guān)器件、且不影響該金屬球重心與運動狀態(tài)的發(fā)光擺球;數(shù)字照相機放置于金屬球的正下方,用于拍攝和記錄LED發(fā)光擺球在不同初速度條件下的各種擺動軌跡,并將拍攝圖像送入PC機存儲、處理,以供觀測和分析該LED發(fā)光擺球的運動軌跡。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作便利,能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)簡單的物理現(xiàn)象,記錄球面擺的運動軌跡,具有很好的推廣應(yīng)用前景。
      文檔編號G09B23/10GK102360536SQ201110192618
      公開日2012年2月22日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
      發(fā)明者仇琛, 代瓊琳, 楊天宇, 楊胡江, 肖井華, 蔣達(dá)婭 申請人:北京郵電大學(xué)
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