CN102445304A - 刚体转动惯量测定装置 - Google Patents

Abstract

一种刚体转动惯量测定装置，包括：刚体转动惯量测量装置的机械部分和数据采集、传送和接收模块，其特征在于，使用该电路板上的单片机进行计时，所述单片机用于接收从所述光电门传送过来的所述遮光片通过光电门的次数和时间数据，并将该数据实时传送并显示在与单片机相连的所述显示器上，并且，所述嵌有单片机的电路板上还设置有“发送”按钮和蓝牙发射模块，通过按下所述按钮，所述蓝牙发射模块会将包含有学生信息和上述数据的数据包传送到所述计算机上的蓝牙接收模块，在接收之后实时处理并将处理后的数据存储在该计算机上。

Description

刚体转动惯量测定装置

技术领域

本发明涉及一种大学物理实验装置，主要涉及一种刚体转动惯量实验数据的采集、传送和实时处理系统，属于大学物理实验仪器领域。

背景技术

众所周知，质量分布均匀和形状规则物体的转动惯量可以通过计算得到，而质量分布不均匀和形状不规则的物体的转动惯量必须通过专门的测量装置才能测定。

目前，传统刚体转动惯量实验，以专利CN86106881为例，其实验仪器包括：承物台、塔轮、转轴、底座、滑轮、系有细线的砝码、数字毫秒计、与数字毫秒计相连接的光电门。实验过程中学生需要手动按动数字毫秒计上的按键，以读取实验数据，然后记录到纸上。

上述实验装置的实验原理：对于承物台上有被测量物体和没有被测量物体的两种情况，测量原理相同：

承物台上不放被测量物体(空载)转动时，转动体系(或称为：刚体系)由承物台和塔轮组成，体系对转轴的转动惯量表示为J₀。若另有被测量物体时，转动体系由承物台、塔轮和被测物组成，欲测被测物对中心轴的转动惯量J_x时，只需将其放在承物台上，此时转动体系的转动惯量为J。根据刚体转动惯量叠加原理，有J＝J₀+J_x，所以，只要分别测出J₀和J，便可求出J_x＝J-J₀。

实验中，通常采用两种方法进行测量：

1利用刚体定轴转动定律

根据刚体动力学，转动体系受到的外力矩有两个：一个是细线的张力T所作用的力矩，M＝Tr，r为塔轮上的绕线轮的半径。根据牛顿第二定律，质量为m的砝码下落的运动方程式mg-T＝ma。由于本实验中砝码竖直下落的加速度a很小

因此可以近似认为mg＝T，得M＝mgr；另外一个力矩为实验中阻力矩M_μ，主要来自轴承处的摩擦。

根据转动定律M-M_μ＝Jβ，即mgr-M_μ＝Jβ。其中J为转动体系的转动惯量，β是转动体系的角加速度。

在转动过程中，转动体系所受到的外力矩M恒定，阻力矩M_μ基本保持不变，因此可以把转动看成匀加速转动，故有如下关系：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\ω}}_{0}t+\frac{1}{2}\mathrm{\β}{t}^2.$

其中θ为角位移，ω₀为初角速度，t为转动经过的时间。对于一次实验，初始角速度ω₀是相同的，因此对于不同的角位移θ₁和θ₂，有

${\mathrm{\θ}}_1={\mathrm{\ω}}_0{t}_1+\frac{1}{2}\mathrm{\β}{t}_1^2---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\ω}}_0{t}_2+\frac{1}{2}\mathrm{\β}{t}_2^2---\left(2\right)$

式中t₁和t₂分别对应于转动θ₁和θ₂角度所对应的时间。

消去(1)、(2)式中的ω₀，得

$\mathrm{\β}=\frac{2({\mathrm{\θ}}_1{t}_2-{\mathrm{\θ}}_2{t}_1)}{t_1^2{t}_2-t_2^2{t}_1}.---\left(3\right)$

角位移θ₁和θ₂与遮光片挡光次数有关，具体数值由θ₁＝(N₁-1)π和θ₂＝(N₂-1)π决定。式中N₁和N₂分别对应于转动θ₁和θ₂角度所对应的挡光次数。

当砝码落地后，外力矩M＝0，刚体系只是在阻力矩M_μ的作用下做匀减速转动，同理，可得

${\mathrm{\β}}^{\′}=\frac{2({\mathrm{\θ}}_1^{\′}{t}_2^{\′}-{\mathrm{\θ}}_2^{\′}{t}_1^{\′})}{t_1^{\′2}{t^{\′}}_2-t_2^{\′2}{t^{\′}}_1}.---\left(4\right)$

选定N₁和N₂，由θ＝(N-1)π可以确定θ₁、θ₂和θ₁′、θ₂′，时间t₁、t₂和t₁′、t₂′由数字毫秒计采集。

由(3)、(4)式，可以计算出β和β′，从而

分别测量并计算得到承物台上有被测量物体时，转动体系的转动惯量J；承物台上没有被测量物体(空载)时，转动体系的转动惯量J₀，从而得到被测量物体对转轴的转动惯量J_x＝J-J₀。

2作图法

如果转动体系初角速度ω₀＝0，由得

将此式代入到mgr-M_μ＝Jβ中，得

$m=\frac{2\mathrm{J\θ}}{\mathrm{gr}}\frac{1}{t^2}+\frac{M_{\mathrm{\μ}}}{\mathrm{gr}}.---\left(5\right)$

如果选定挡光次数N，则θ＝(N-1)π不变，而绕线轮选定后，其半径r也不变。因此砝码的质量m和

呈线性关系。改变m，数字毫秒计测量时间t。利用最小二乘法处理实验数据，得到斜率b，且由(5)式，

得

分别测量并计算得到承物台上有被测量物体时，转动体系的转动惯量J；承物台上没有被测量物体(空载)时，转动体系的转动惯量J₀，从而得到被测量物体对转轴的转动惯量J_x＝J-J₀。

以上为现在通用的刚体转动惯量测量方法。

现有的实验过程都是学生对数字毫秒计的读数进行手抄，抄写的时候需要不断的按下数字毫秒计上相应的次数按钮，所提交的实验报告都是以手抄的实验数据为基础的。

这样的实验过程存在三个问题，第一：对于学生的实验掌握程度不易了解，众所周知，学生之间的抄袭现象是普遍存在的，如果学生在实验后抄袭了他人的实验数据，并以此来提交实验报告，实验老师对此并不能及时发现，因为学生的数据记录过程完全是独立于老师的，这样导致的后果就是老师对于学生的实验掌握程度不能具有一个很好的了解，进而导致对于教学质量的评估出现偏差；第二，学生在数据记录过程中费时、费力，数据彼此间分立，容易产生错误；第三，实验教师对学生数据的处理多凭经验，在评分过程中不可避免的出现偏差。

本发明就是针对上述的问题而提出的，提供一种刚体转动惯量实验数据的采集、传送和实时处理系统，其能够测量质量分布均匀或形状规则的物体的转动惯量，同样适合测量质量分布不均匀或形状不规则物体的转动惯量，而且方便读取实验数据、传送数据、实时处理实验数据。在教学中，可以根据实验需要，随时更改实验内容，简单、易行。

发明内容

根据本发明的一实施例，提供了一种刚体转动惯量实验数据的采集、传送和实时处理系统，包括：承物台、塔轮、转轴、底座、滑轮、系有细线的砝码、嵌有单片机的电路板、与单片机相连用于触发的光电门、蓝牙无线传输模块、液晶显示器、用于实验数据收集和实时处理的计算机和数据处理程序。

被测量物体放在水平安装的承物台上，承物台下面与塔轮相连，被测物、承物台及塔轮组成一个转动体系。塔轮由5到8个半径不同的绕线轮组成，塔轮内的转轴是垂直的，其上下端采用轴承以减少摩擦。细线一端绕在塔轮中的某一绕线轮上，跨过滑轮的另一端系有砝码。砝码下落拖动转动体系使其在水平面转动时，承物台下的遮光片也随之一起转动并相继通过光电门，上述内容均是现有技术，在此不再进行赘述。本发明的特征在于：将数字毫秒计改换为一嵌有单片机的电路板，使用该电路板上的单片机进行计时。单片机与光电门连接，光电门会将遮光片通过光电门的次数和对应的时间信号传给单片机，单片机内预先编写有程序，单片机按程序要求将这些信号实时传送并显示在连接在单片机上的液晶显示器上。学生全部测量所需数据后，按嵌有单片机的电路板上的“发送”按钮，包含上述数据和学生编号和姓名的数据包经蓝牙发射模块发送到老师的计算机上，再由计算机接收后对数据进行后续处理。

通过上述装置，就解决前述的问题，每进行一次实验之后，学生都能实时的在显示器上看到该次的实验数据，也即承物台所转过的角度和时间，如果对于实验结果不满意，可直接将数据删除，重新进行实验，其最后看到的是一个整体的全部的实验数据；再者，学生每次实验完毕后，都需要将包含有个人信息的实验数据发送到老师的计算机上，能够保证老师看到每个学生原始的实验数据，有效的防止了学生之间抄袭现象的发生；第三，采用此系统，计算机程序将实验数据处理并存储后，可随时调用，作为教师在给定实验报告分数时的客观依据，从而进行方便、公正的实验评价；第四，对于被测物转动惯量的测量，也可以提供实时的数据，方便使用者。

附图说明

图1为刚体转动惯量测定装置的机械部分示意图；

图2为刚体转动惯量测定装置数据的采集、传送和接收模块示意图；

图3为在液晶显示器上看到的实验数据显示格式。

在上述图中，1表示承物台，2表示遮光片，3表示塔轮，4表示光电门，5表示滑轮，6表示砝码，7表示主轴，8表示底座，9表示被测物，10表示单片机，11表示显示器，12表示蓝牙发射模块，13表示配有蓝牙接收模块的计算机。

具体实施例

图1示出了本发明中的刚体转动惯量测量装置的机械部分，该机械部分与现有技术中的刚体转动惯量测量装置是一致的，其包括承物台、被测物、遮光片、塔轮、光电门、底座、主轴、滑轮和系有细线的砝码。

本发明的特征在于其还包括数据的采集、传送和接收模块，该模块包括与光电门连接的单片机，该单片机用于接收从光电门传送过来的遮光片转过的次数和相应的时间数据，单片机内预先编写有程序，单片机按程序要求将该数据实时传送并显示在与单片机相连的显示器上，并且，单片机的电路板上还设置有“发送”按钮和蓝牙发射模块，通过按下所述“发送”按钮，所述蓝牙发射模块会将包含有学生信息和上述数据的数据包传送到老师计算机上的蓝牙接收模块，接收后在该计算机上进行存储和处理。

显示器：单片机芯片采集过来的数据，由一个8时TFT液晶显示器将实验内容和数据全部显示出来。学生通过液晶屏观察的实验数据具有整体感，可以通过对比不同测量组的数据，判断实验中可能存在的操作错误。对于错误数据，可由单片机的电路板上的“删除”键直接删除。使用者还可以根据实验中数据多少的不同，选择不同的、合适尺寸的液晶显示器。

显示器上的显示格式如图3所示，其中列方向N表示遮光片通过光电门的次数，行方向1-5表示5次测量，θ为转台转过的角位移。

数据传送：实验数据临时存储在单片机中，嵌有单片机的电路板上设置有“发送”按钮，按一下该按钮，则数据经蓝牙模块通过蓝牙无线信号发送出去。

数据接收：计算机上插有蓝牙适配器做为蓝牙接收模块，可以接收蓝牙信号。

数据实时处理：计算机上有编写好的程序，读取蓝牙适配器接收到的数据，存储实验数据到以学生学号和姓名为文件名的文件中，作为数据备份。同时，计算机程序还可对实验数据进行处理，处理后的结果实时显示在计算机屏幕上，以方便教学的老师实时判断学生做的实验好坏，以及为批改实验报告提供客观依据，方便教师甄别学生数据的准确度。同时，此发明对于被测物的转动惯量的测量，提供了实时的数据，方便使用者。

如果想更改部分实验内容，只需在单片机内重新写入程序，调整液晶屏显示内容，改写计算机处理程序，可节约大量仪器更新和改造费用。

Claims (3)

1.一种刚体转动惯量测定装置，包括：刚体转动惯量测量装置的机械部分和数据采集、传送和接收模块，所述机械部分包括承物台、被测物、遮光片、塔轮、光电门、底座、主轴、滑轮和砝码；所述数据采集、传送和接收模块包括嵌有单片机的电路板、显示器、蓝牙发射模块、配有蓝牙接收模块的计算机和数据处理程序；其特征在于，使用该电路板上的单片机进行计时，所述单片机用于接收从所述光电门传送过来的所述遮光片通过光电门的次数和时间数据，并将该数据实时传送并显示在与单片机相连的所述显示器上，并且，所述嵌有单片机的电路板上还设置有“发送”按钮和蓝牙发射模块，通过按下所述按钮，所述蓝牙发射模块会将包含有学生信息和上述数据的数据包传送到所述计算机上的蓝牙接收模块，在接收之后实时处理并将处理后的数据存储在该计算机上。

2.根据权利要求1所述的测定装置，所述显示器为液晶显示器。

3.根据权利要求1所述的测定装置，所述嵌有单片机的电路板上还设置有的“删除”键，用于在实验过程中删除操作错误的实验数据。

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