CN103021233B - 转盘式科里奥利力实验仪 - Google Patents

Abstract

一种转盘式科里奥利力实验仪：在壳体内的支架上面设置有轴承座、主驱动电机以及电路板，主驱动电机的输出轴贯穿支架，并通过皮带轮组连接主轴的一端，主轴依次贯穿支架和轴承座连接转盘的中心，转盘对应于壳体上的圆形开口，转盘上面对称的设置有两个通过转动带连接的转动带轮，每一个转动带轮的中心都对应的与一个转动带轮电机相连，转盘的边缘处等间隔的开有多个通孔，壳体的侧面板上与通孔相对应的设置一个对射式光电传感器，转动带上等间隔的设置有多个反射光片，转盘上位于转动带轮的外侧设置有一个反射式光电传感器，对射式光电传感器和反射式光电传感器的输出端通过导线连接电路板。本发明机械转速可调、可测，受力变化的伸缩带的变化尺寸可测量。

Description

转盘式科里奥利力实验仪

技术领域

本发明涉及一种实验仪。特别是涉及一种转盘式科里奥利力实验仪。

背景技术

科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。

旋转体系中质点的直线运动科里奥利力是以牛顿力学为基础的，1835年，法国气象学家科里奥利提出，为了描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后，人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程，大大简化了旋系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系，因而科里奥利力很快在流体运动领域取得了成功的应用。

科里奥利力所产生的影响有地球科学领域、傅科摆、信风与季风、热带气旋等。科里奥利力的应用领域，有质量流量计、陀螺仪等。科里奥利力在微观现象中也有所表现，例如，它使得转动分子的振动变得复杂了，使得分子的转动和振动能谱之间相互影响。

在物理及机械力学专业领域，可通过科里奥力利力实验仪方便地观察到科里奥力利力现象，并使实验者获得一些具体的实验数据。常用的科里奥利力实验仪有重力下滑式和转盘式。

对于转盘式科里奥利力实验仪，目前已有的实验仪仅仅是观察现象，只是演示一下科里奥利力的存在，没有转盘转速设定、测量及显示等，对于专业课程实验或科学研究方面缺少计算依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种不仅是演示科里奥利力的存在，而且可以给出测量数据，使实验不仅有定性分析，而且还有定量的数据处理及分析的转盘式科里奥利力实验仪。

本发明所采用的技术方案是：一种转盘式科里奥利力实验仪，包括：上表面形成有圆形开口的壳体，所述的壳体内设置有支架，所述的支架上面设置有轴承座、主驱动电机以及电路板，所述的主驱动电机的输出轴贯穿支架，并在支架的下面通过皮带轮组连接主轴的一端，所述主轴的另一端依次贯穿支架和轴承座，并通过固定架连接转盘的中心，所述的转盘对应于所述的壳体上的圆形开口，所述转盘上面在位于中心的两侧相对称的设置有两个转动带轮，所述的两个转动带轮通过转动带连接，其中，每一个转动带轮的中心都对应的与一个设置在转盘下面的转动带轮电机的输出轴固定相连，所述的转盘的边缘处等间隔的开有多个通孔，所述的壳体的侧面板上与所述的通孔相对应的设置有一个对射式光电传感器，所述的转动带上等间隔的设置有多个反射光片，所述的转盘上位于其中一个转动带轮的外侧设置有一个用于采集转动带上的反射光片信号的反射式光电传感器，所述的对射式光电传感器和反射式光电传感器的输出端通过导线连接电路板。

所述的主轴上通过固定在支架上的L型支架支撑的设置有5线导电滑环。

所述的转盘的中部设置有用于读出仪器工作时转动带的径向变化尺寸的标尺。

所述的壳体的上表面上设置有与电源相连接的仪器总开关K、转盘方向选择开关K1、转动带轮速度切换开关K2、转动带轮方向选择开关K3、转动带线速度显示窗口和转盘速度显示窗口。

所述的电路板上分别设置有：将220V电压分别转换为12V和5V的直流稳压电源；将220V电压转换为110V的交流变压器；输入端连接交流变压器的110V输出电源，输出端与所述的主驱动电机相连的主驱动电机的控制电路；输入端连接直流稳压电源的12V输出电源，输出端输出12V、9V和6V电源的直流电机稳压电路；输入端连接直流电机稳压电路的输出端，输出端连接转动带轮电机的用于控制转动带轮电机的控制电路；两个结构完全相同的测量电路，其中一个测量电路的输入端连接对射式光电传感器的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转盘转速的数码显示电路，另一个测量电路的输入端连接反射式光电传感器的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转动带转速的数码显示电路，所述的用于显示转盘转速的数码显示电路和用于显示转动带转速的数码显示电路结构完全相同，两个数码显示电路中的数码显示管分别与壳体上表面上的转动带线速度显示窗口和转盘速度显示窗口相对应设置。

所述的主驱动电机的控制电路包括有转盘方向选择开关K1，所述的转盘方向选择开关K1的输入端连接交流变压器的一个输出端，转盘方向选择开关K1的输出端选择性的连接主驱动电机的正转a端即绕组A、反转b端即绕组B和悬空端c，其中，主驱动电机的绕组A和绕组B之间连接启动电容C，所述主驱动电机的两个绕组连接端连接交流变压器的另一个输出端，所述的转盘方向选择开关K1设置在壳体的上表面上。

所述的用于控制转动带轮电机的控制电路包括有开关K2和开关K3，所述的开关K3的两个输出端连接转动带轮电机的电源输入端，开关K3的两个输入端选择性的连接正转输入电源的正极a和负极b、悬空端c、d和反转输入电源的正极f和负极e，所述的正转输入电源的正极a和反转输入电源的正极f连接开关K2的输出端，正转输入电源的负极b和反转输入电源的负极e接地，所述开关K2的输入端选择性的连接所述直流电机稳压电路的输出端。

本发明的转盘式科里奥利力实验仪，机械转速可调、可测，受力变化的伸缩带的变化尺寸可测量，为科研及教学提供定量的数据。

附图说明

图1是本发明的机械结构的俯视图；

图2是本发明内部机械结构的侧视图；

图3是直流稳压电源的示意图；

图4是交流变压器的示意图；

图5是主驱动电机的控制电路原理图；

图6是直流电机稳压电路原理图；

图7是转动带轮电机的控制电路原理图；

图8是反射式光电传感器的结构示意图；

图9是对射式光电传感器的结构示意图；

图10是测量电路原理图；

图11是数码显示电路原理图；

图12是当两个转动系统均为一个方向时，转动带向外扩张的示意图；

图13是当两个转动系统方向不同时，转动带向内收缩的示意图。

图中

1：壳体                            2：圆形开口

3：支架                            4：轴承座

5：主轴                            6：主驱动电机

7：皮带轮组                        8：固定架

9：转盘                            10：转动带轮

11：转动带                         12：转动带轮电机

13：通孔                           14：对射式光电传感器

15：反射光片                       16：反射式光电传感器

17：5线导电滑环                    18：转动带线速度显示窗口

19：转盘速度显示窗口               20：标尺

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的转盘式科里奥利力实验仪做出详细说明。

本发明的转盘式科里奥利力实验仪由两个转动系统组成，即转盘和转盘上的转动带。转盘由一个单相交流电机带动，可以设定顺时针、逆时针转动；转盘上安置两个皮带轮，分别由两个直流电机带动旋转，可以设定顺时针、逆时针转动，转动带挂在该皮带轮上。

如图1图2所示，本发明的转盘式科里奥利力实验仪，包括：上表面形成有圆形开口2的壳体1，其特征在于，所述的壳体1内设置有支架3，所述的支架3上面设置有轴承座4、主驱动电机6以及电路板，所述的主驱动电机6的输出轴贯穿支架3，并在支架3的下面通过皮带轮组7连接主轴5的一端，所述主轴5的另一端依次贯穿支架3和轴承座4，并通过固定架8连接转盘9的中心，所述的转盘9对应于所述的壳体1上的圆形开口2，所述转盘9上面在位于中心的两侧相对称的设置有两个转动带轮10，所述的两个转动带轮10通过转动带11连接，其中，每一个转动带轮10的中心都对应的与一个设置在转盘9下面的转动带轮电机12的输出轴固定相连，所述的转盘9的边缘处等间隔的开有多个通孔13，本实施例是均匀分布10个通孔。所述的壳体1的侧面板上与所述的通孔13相对应的设置有一个对射式光电传感器14，通过对射式光电传感器、测量电路的脉冲计数电路和数码显示电路可测量出并显示转盘的转速。所述的转动带11上等间隔的设置有多个反射光片15，本实施例在转动带上均匀分布10个反射光片15。所述的转盘9上位于其中一个转动带轮10的外侧设置有一个用于采集转动带11上的反射光片15信号的反射式光电传感器16，通过反射式光电传感器、测量电路的脉冲计数电路和数码显示电路可测量出并显示伸缩带的转速。所述的对射式光电传感器14和反射式光电传感器16的输出端通过导线连接电路板。

所述的主轴5上通过固定在支架3上的L型支架支撑的设置有5线导电滑环17。用于转动带轮的电机供电（2线）、对射式光电传感器14和反射式光电传感器16的供电及脉冲信号的读取（3线）。所述的转盘9的中部设置有用于读出仪器工作时转动带的径向变化尺寸的标尺20。

所述的壳体1的上表面上设置有与电源相连的仪器总开关K、转盘方向选择开关K1、转动带轮速度切换开关K2、转动带轮方向选择开关K3、可以实时显示所测量数据的转动带线速度显示窗口18和转盘速度显示窗口19。

所述的电路板上分别设置有：将220V电压分别转换为12V和5V的直流稳压电源（如图3所示）；将220V电压转换为110V的交流变压器（如图4所示）；输入端连接交流变压器的110V输出电源，输出端与所述的主驱动电机6相连的主驱动电机6的控制电路（如图5所示）；输入端连接直流稳压电源的12V输出电源，输出端输出12V、9V和6V电源的直流电机稳压电路（如图6所示）；输入端连接直流电机稳压电路的输出端，输出端连接转动带轮电机12的用于控制转动带轮电机12的控制电路（如图7所示）；两个结构完全相同的测量电路（如图10所示），其中一个测量电路的输入端连接对射式光电传感器14的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转盘9转速的数码显示电路（如图11所示），另一个测量电路的输入端连接反射式光电传感器16的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转动带11转速的数码显示电路（如图11所示），所述的用于显示转盘9转速的数码显示电路和用于显示转动带11转速的数码显示电路结构完全相同，两个数码显示电路中的数码显示管分别与壳体1上表面上的转动带线速度显示窗口18和转盘速度显示窗口19相对应设置。

如图3所示，直流稳压电源输出12V和5V电压，12V直流电压要经过分压电路给转动带轮控制电机供电；直流稳压电源引用市场标准的直流电源，输出要求：12V（1A）和5V（0.5A）。12V直流电压要经过直流电机稳压电路（见图6）给转动带轮控制电机供电；变压器是将交流220V电压变换成110V，该电压给转盘控制电机供电。

如图4所示，交流变压器是将交流220V电压变换成110V，该电压给转盘控制电机供电。

如图5所示，所述的主驱动电机6的控制电路包括有转盘方向选择开关K1，所述的转盘方向选择开关K1的输入端连接交流变压器的一个输出端，转盘方向选择开关K1的输出端设有三个位置，即正转、停止和反转，即选择性的连接主驱动电机6的正转a端即绕组A、反转b端即绕组B和悬空c端，从正转到反转的切换中，需要先从正转拨到停止位置，然后再拨向反转。主驱动电机6的绕组A和绕组B之间连接启动电容C，所述主驱动电机6的两个绕组连接端连接交流变压器的另一个输出端，所述的转盘方向选择开关K1设置在壳体1的上表面上。

主驱动电机6为交流110V电机，型号为4125AA，转速为50转/分钟，通过皮带轮传递到主轴并带动转盘。设定仪器转盘转速为50转/分钟。

如图6所示，直流电机稳压电路，输出有12V、9V和6V，对于9V和6V是采用LM2576ADJ芯片构成2路可调的直流稳压电路。LM2576-ADJ芯片控制端（4脚）接电位器RW和电阻R组成的分压电路上，改变RW即可改变分压比，就能调节其输出电压大小。电路参数：R=1.2kΩ，RW=50kΩ，C1=100μF/50V，C2=1000μF/50V，电感L=100μH，二极管D为1N5822。

如图7所示，所述的用于控制转动带轮电机12的控制电路包括有开关K2和开关K3，所述的开关K3的两个输出端连接转动带轮电机12的电源输入端，开关K3的两个输入端选择性的连接正转输入电源的正极a和负极b、悬空端c、d和反转输入电源的正极f和负极e，所述的正转输入电源的正极a和反转输入电源的正极f连接开关K2的输出端，正转输入电源的负极b和反转输入电源的负极e接地，所述开关K2的输入端选择性的连接所述直流电机稳压电路的输出端。

用于控制转动带轮电机12的控制电路是利用开关切换电压大小切换及转动方向。开关K2是电压大小切换开关，可以给直流电机提供12V、9V和6V电压；开关K3是转动方向切换开关，开关设有三个位置，即正转、停止和反转，从正转到反转的切换中，需要先从正转拨到停止位置，然后再拨向反转。电机为普通12V直流电机，转速为1800转/分。

如图8所示，用于转动带转速测量的反射式光电传感器16的型号是RPR220，其测量原理是，发射端发射红外光线，通过反射面使光电三极管接收信息，对于反射介质的不同，可达到不同的效果。当反射面是白色的时候，光线反射，光电三极管能够接收到光；当反射面是黑色的时候，光线被吸收，光电三极管不能够接收到光。传感器连接测量电路，可以将光信号变化为电压信号。

在转动带上，均匀粘贴的10个反射光片，可选用锡纸等柔软反光物质，当转动带转动时，光电转换电路会产生脉冲电压信号，通过测量和处理可以换算出转动带的转速。

如图9所示，用于转盘转速测量的对射式光电传感器14的型号是ITR－8110，其测量原理与反射式光电传感器16的测量原理相同，只是结构上采用光线对射方式。在转盘边缘上均匀分布10个通孔，当转盘转动时，光电转换电路会产生脉冲电压信号，通过测量和处理可以换算出转盘的转速。

如图10所示，本发明的转盘式科里奥利力实验仪的测量电路，由单片机控制数据采集和显示，光电传感器按插座编号接入，脉冲信号经过放大器（LM741）、比较器(LM311)进入单片机(89S52)的外部定时计数器端（TO），程序使用定时中断（T1）产生秒信号，按秒信号作为基准单位，存储测量脉冲的个数。在数据处理方式上，是通过除以10得到转盘或转动带的每秒转速，该数据再乘以60后得到每分钟转速。测量数据通过4位数码管显示，共阳极数码管采用了动态显示模式，即P0（P00～P06）接各数码管的段，P20～P23接码管的位，4个三极管起到驱动作用。

如图11所示，数码显示电路，显示位数为4位，连接测量电路的输出。

开启本发明的转盘式科里奥利力实验仪的仪器总开关K后，首先通过开关K1和开关K3设定转盘和转动带的转动方向，根据方向设定，转盘转动，同时转盘上的转动带也开始转动。此时，由于两个转动系统的方向的不同，会产生不同的效果。当两个转动系统均为一个方向时，转动带向外扩张，如图12所示；当两个转动系统方向不同时，转动带向内收缩，如图13所示。

Claims (5)

1.一种转盘式科里奥利力实验仪，包括：上表面形成有圆形开口（2）的壳体（1），其特征在于，所述的壳体（1）内设置有支架（3），所述的支架（3）上面设置有轴承座（4）、主驱动电机（6）以及电路板，所述的主驱动电机（6）的输出轴贯穿支架（3），并在支架（3）的下面通过皮带轮组（7）连接主轴（5）的一端，所述主轴（5）的另一端依次贯穿支架（3）和轴承座（4），并通过固定架（8）连接转盘（9）的中心，所述的转盘（9）对应于所述的壳体（1）上的圆形开口（2），所述转盘（9）上面在位于中心的两侧相对称的设置有两个转动带轮（10），所述的两个转动带轮（10）通过转动带（11）连接，其中，每一个转动带轮（10）的中心都对应的与一个设置在转盘（9）下面的转动带轮电机（12）的输出轴固定相连，所述的转盘（9）的边缘处等间隔的开有多个通孔（13），所述的壳体（1）的侧面板上与所述的通孔（13）相对应的设置有一个对射式光电传感器（14），所述的转动带（11）上等间隔的设置有多个反射光片（15），所述的转盘（9）上位于其中一个转动带轮（10）的外侧设置有一个用于采集转动带（11）上的反射光片（15）信号的反射式光电传感器（16），所述的对射式光电传感器（14）和反射式光电传感器（16）的输出端通过导线连接电路板，所述的壳体（1）的上表面上设置有与电源相连接的仪器总开关K、转盘方向选择开关K1、转动带轮速度切换开关K2、转动带轮方向选择开关K3、转动带线速度显示窗口（18）和转盘速度显示窗口（19），所述的电路板上分别设置有：将220V电压分别转换为12V和5V的直流稳压电源；将220V电压转换为110V的交流变压器；输入端连接交流变压器的110V输出电源，输出端与所述的主驱动电机（6）相连的主驱动电机（6）的控制电路；输入端连接直流稳压电源的12V输出电源，输出端输出12V、9V和6V电源的直流电机稳压电路；输入端连接直流电机稳压电路的输出端，输出端连接转动带轮电机（12）的用于控制转动带轮电机（12）的控制电路；两个结构完全相同的测量电路，其中一个测量电路的输入端连接对射式光电传感器（14）的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转盘（9）转速的数码显示电路，另一个测量电路的输入端连接反射式光电传感器（16）的输出端，该测量电路的输出端连接一组用于显示转动带（11）转速的数码显示电路，所述的用于显示转盘（9）转速的数码显示电路和用于显示转动带（11）转速的数码显示电路结构完全相同，两个数码显示电路中的数码显示管分别与壳体（1）上表面上的转动带线速度显示窗口（18）和转盘速度显示窗口（19）相对应设置。

2.根据权利要求1所述的转盘式科里奥利力实验仪，其特征在于，所述的主轴（5）上通过固定在支架（3）上的L型支架支撑的设置有5线导电滑环（17）。

3.根据权利要求1所述的转盘式科里奥利力实验仪，其特征在于，所述的转盘（9）的中部设置有用于读出仪器工作时转动带的径向变化尺寸的标尺（20）。

4.根据权利要求1所述的转盘式科里奥利力实验仪，其特征在于，所述的主驱动电机（6）的控制电路包括有转盘方向选择开关K1，所述的转盘方向选择开关K1的输入端连接交流变压器的一个输出端，转盘方向选择开关K1的输出端选择性的连接主驱动电机（6）的正转a端即绕组A、反转b端即绕组B和悬空端c，其中，主驱动电机（6）的绕组A和绕组B之间连接启动电容C，所述主驱动电机（6）的两个绕组连接端连接交流变压器的另一个输出端，所述的转盘方向选择开关K1设置在壳体（1）的上表面上。

5.根据权利要求1所述的转盘式科里奥利力实验仪，其特征在于，所述的用于控制转动带轮电机（12）的控制电路包括有转动带轮速度切换开关K2和转动带轮方向选择开关K3，所述的转动带轮方向选择开关K3的两个输出端连接转动带轮电机（12）的电源输入端，转动带轮方向选择开关K3的两个输入端选择性的连接正转输入电源的正极（a）和负极（b）、悬空端（c、d）和反转输入电源的正极（f）和负极（e），所述的正转输入电源的正极（a）和反转输入电源的正极（f）连接转动带轮速度切换开关K2的输出端，正转输入电源的负极（b）和反转输入电源的负极（e）接地，所述转动带轮速度切换开关K2的输入端选择性的连接所述直流电机稳压电路的输出端。