CN106971651A - 一种概率统计教学演示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种概率统计教学演示装置，解决的方案是：包括箱体，箱体的腔体内有固定在箱体后壁上并与箱体后壁垂直的固定轴，固定轴上套装有由摆臂和磁性金属球连接在一起构成的转子，箱体上有置于固定轴上方的电磁线圈；箱体腔体内的左右侧壁上分别有一个红外感应计数器，两个红外感应计数器分别由线路接入MCU模块，MCU模块控制红外感应计数器对有效信号进行计数累加操作。本发明通过竖直对称体下端套装在固定轴上时，其自身重力作用下产生的左右随机旋转来模拟随机事件中的两种结果，不仅直观形象地表达了随机事件的含义，而且还可以快速方便地进行多次试验并进行概率统计。
Description
技术领域
本发明涉及数学模型，特别是一种概率统计教学演示装置。
背景技术
在数学教学中，概率统计因其抽象性往往令同学们难以理解，而概率事件演示模型为数学教学提供了直观的图形或原理展示。目前数学教学中所使用的概率统计演示模型多为传统的投硬币模型或小球掉落演示模型等，此类模型不仅模型本身体积较大，重量较重，而且操作繁琐，其统计方法大多较为原始，多采用人工统计的方法，统计结果容易出错；同时由于其操作不便，在多次随机事件的统计时，浪费大量的课时时间。
发明内容
针对上述情况，为弥补现有技术所存在的技术不足，本发明提供一种概率统计教学演示装置。
其解决的技术方案是：包括箱体，箱体的腔体内有固定在箱体后壁上并与箱体后壁垂直的固定轴，固定轴上套装有摆臂，摆臂的远离固定轴的一端安装有磁性金属球，构成磁性金属球经摆臂在固定轴上做圆周旋转的结构；摆臂和磁性金属球连接在一起构成转子，转子为左右对称的结构；箱体上有置于固定轴上方的电磁线圈，电磁线圈产生的磁场关于经过固定轴轴线的纵向竖直平面对称；
箱体的腔体内左右两侧的侧壁上分别有一个红外感应器，每个红外感应器外接一个数字计数器，红外感应器和数字计数器构成红外感应计数器；两个红外感应计数器分别由线路接入MCU模块；磁性金属球旋转一周与两侧的两个红外感应计数器所发出的红外线接触，MCU模块接收两个红外感应计数器所收到的两个信号，以累计两次信号接收为一个信号计数周期，并以每个信号计数周期内的第一个信号为有效信号，MCU模块控制与有效信号所对应的红外感应计数器来对有效信号进行计数累加操作。
本发明结构巧妙，操作简单，通过简单的设定即可完成单次或多次随机试验，不仅直观形象地表达了随机事件的含义，而且还可以快速方便地进行多次试验并进行概率统计。
附图说明
图1为本发明的主视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1给出，本发明包括箱体1，箱体1的腔体内有固定在箱体1后壁上并与箱体1后壁垂直的固定轴2，固定轴2上套装有摆臂3，摆臂3的远离固定轴2的一端安装有磁性金属球4，构成磁性金属球4经摆臂3在固定轴2上做圆周旋转的结构；摆臂3和磁性金属球4连接在一起构成转子，转子为左右对称的结构；箱体1上有置于固定轴2上方的电磁线圈5，电磁线圈5产生的磁场关于经过固定轴2轴线的纵向竖直平面对称；
箱体1的腔体内左右两侧的侧壁上分别有一个红外感应器6，每个红外感应器6外接一个数字计数器7，红外感应器6和数字计数器7构成红外感应计数器；两个红外感应计数器分别由线路接入MCU模块8；磁性金属球4旋转一周与两侧的两个红外感应计数器所发出的红外线接触，MCU模块8接收两个红外感应计数器所收到的两个信号，以累计两次信号接收为一个信号计数周期，并以每个信号计数周期内的第一个信号为有效信号，MCU模块8控制与有效信号所对应的红外感应计数器来对有效信号进行计数累加操作。
为了达到更便捷的使用效果，所述的电磁线圈5由线路接入MCU模块8，MCU模块对电磁线圈5的通电和断电进行控制，MCU模块8上设有操作面板，通过操作面板对电磁线圈5的通电时长、断电时长和通断电次数进行设定。
所述的MCU模块8采用AT89C51芯片为核心芯片，AT89C51芯片自带时钟电路并载入有相应的程序。
本发明使用时，使MCU模块8接通电源并进入初始状态，该状态下电磁线圈5通电，使磁性金属球4在电磁线圈5产生的磁力作用下静止于固定轴2的上方即转子在固定轴2上做圆周旋转时磁性金属球4的最高点；通过操作面板对电磁线圈5的通电时长和断电时长进行设定，使电磁线圈5在MCU模块8的控制下有规律地通电和断电；在操作面板上以断电、通电各一次为一个周期对通断电次数进行设定。
启动MCU模块8，电磁线圈5进入断电状态，电磁线圈5的磁场消失，转子在自身重力的作用下在固定轴2上由初始状态随机向左或向右做圆周旋转。
转子逆时针方向即向左做圆周旋转时：当磁性金属球4进入左侧的红外感应计数器的感应范围时，对左侧的红外感应计数器所发出的红外线进行阻挡，左侧的红外感应计数器接收到阻挡信号并将信号反馈至MCU模块8，MCU模块8以该信号为有效信号，控制左侧的红外感应计数器进行计数累加操作；当磁性金属球4脱离左侧的红外感应计数器的感应范围并转过最低点时，MCU模块8控制电磁线圈5进入通电状态，在转子圆周旋转的惯性作用力和电磁线圈5通电后产生的磁力的共同作用下，磁性金属球4继续做逆时针向上的圆周旋转；当向上的磁性金属球4经过右侧的红外感应计数器的感应范围时，对右侧的红外感应计数器所发出的红外线进行阻挡，右侧的红外感应计数器接收到阻挡信号并将信号反馈至MCU模块8，MCU模块8以该信号为无效信号，控制右侧的红外感应计数器不进行计数累加操作；当磁性金属球4脱离右侧的红外感应计数器的感应范围后并转动至最高点时，该位置上电磁线圈5产生的磁力克服性转子圆周旋转的惯性作用力，使磁性金属球4在最高点位置做短暂的左右摆动并最终静止。
转子顺时针方向即向右做圆周旋转时：当磁性金属球4进入右侧的红外感应计数器的感应范围时，对右侧的红外感应计数器所发出的红外线进行阻挡，右侧的红外感应计数器接收到阻挡信号并将信号反馈至MCU模块8，MCU模块8以该信号为有效信号，控制右侧的红外感应计数器进行计数累加操作；当磁性金属球4脱离右侧的红外感应计数器的感应范围并转过最低点时，MCU模块8控制电磁线圈5进入通电状态，在转子圆周旋转的惯性作用力和电磁线圈5通电后产生的磁力的共同作用下，磁性金属球4继续做顺时针向上的圆周旋转；当向上的磁性金属球4经过左侧的红外感应计数器的感应范围时，对左侧的红外感应计数器所发出的红外线进行阻挡，左侧的红外感应计数器接收到阻挡信号并将信号反馈至MCU模块8，MCU模块8以该信号为无效信号，控制左侧的红外感应计数器不进行计数累加操作；当磁性金属球4脱离左侧的红外感应计数器的感应范围后并转动至最高点时，该位置上电磁线圈5产生的磁力克服性转子圆周旋转的惯性作用力，使磁性金属球4在最高点位置做短暂的左右摆动并最终静止。
MCU模块8以转子旋转一周的过程中累积接收并处理的两个感应信号为一个信号计数周期，当磁性金属球4在最高点位置完全停止后，MCU模块8进入下一个信号计数周期，并控制电磁线圈5使电磁线圈5进入断电状态，磁性金属球4再次随机向左或向右做圆周旋转。
上述使用情况下，电磁线圈5上连续的断电和通电各一次，磁性金属球4完成圆周旋转一周，此时完成一次随机事件的演示，当电磁线圈5断电和通电按照已设定的周期次数进行时，多次随机事件连续进行，两侧的红外感应计数器上实时显示相应的概率分布次数；当随机事件的演示按照设定好的次数完成后，MCU模块8复位并进入初始状态。
本发明利用磁性金属球4在最高点下落时产生的随机的向左或向右旋转，模拟概率事件中的两种可能的结果进行概率事件的统计与演示；通过MCU模块8对电磁线圈5的通断电控制，可以自动实现多次随机事件的连续试验。
为保证本发明所模拟的随机事件的连续试验，电磁线圈5的通电时长的设定应满足：不少于上述使用情况下磁性金属球4经摆臂3在固定轴2上由最低点旋转至最高点并最终在最高点位置完全停止所用的时间；电磁线圈5的断电时长应满足：不少于上述使用情况下磁性金属球4在自身重力作用下由静止变为经摆臂3在固定轴2上做旋转运动并旋转至最低点时所用的时间，不大于上述使用情况下磁性金属球4在自身重力作用下由静止变为经摆臂3在固定轴2上做旋转运动并旋转至最低点时所用的时间与磁性金属球4在自身的运动惯性作用力下由最低点旋转至停止所用的时间之和。
为了保证磁性金属球4可以从最低点经摆臂3在固定轴2上旋转至最高点，电磁线圈5应满足：电磁线圈5通电后产生的磁场范围覆盖磁性金属球4的运动轨迹，且电磁线圈5通电后产生的磁力在磁性金属球4的运动轨迹上的任意位置足够克服磁性金属球4的重力。
为了保证随机事件演示结束后红外感应计数器上所显示的统计结果的准确性，红外感应计数器的红外感应范围应满足：不覆盖固定轴2且当磁性金属球4在左右两侧旋转时，对应同侧的红外感应计数器只感应到一次磁性金属球4的阻挡。
在实际课堂教学中，利用本发明可以使同学们更好的理解随机事件的两种结果和两种结果发生的随机性原理。当进行演示助于同学们理解时，可将电磁线圈5的通电时长和断电时长设定一个较高值，使同学们有足够的时间仔细观察；当进行多次随机事件演示并取其结果时，可将电磁线圈5的通电时长和断电时长设定为最小值，以便于在最短的时间内完成概率演示与统计。
本发明结构巧妙，操作简单，通过竖直对称体下端套装在固定轴上时，其自身重力作用下产生的左右随机旋转来模拟随机事件中的两种结果，不仅直观形象地表达了随机事件的含义，而且通过操作面板对MCU模块的简单设定即可快速方便地完成多次随机事件的重复试验，试验结果直观地在红外感应计数器上进行读取，免去了人工计数统计过程，大大简化了教学演示步骤；在进行多次试验的过程中，不影响其他教学内容同时进行，提高了课时效率。同时，本发明中的结构特征较少，可以通过不同的尺寸组合使本发明的体积大大减小，方便携带和使用。
Claims (3)
1.一种概率统计教学演示装置，包括箱体（1），其特征在于，箱体（1）的腔体内有固定在箱体（1）后壁上并与箱体（1）后壁垂直的固定轴（2），固定轴（2）上套装有摆臂（3），摆臂（3）的远离固定轴（2）的一端安装有磁性金属球（4），构成磁性金属球（4）经摆臂（3）在固定轴（2）上做圆周旋转的结构；摆臂（3）和磁性金属球（4）连接在一起构成转子，转子为左右对称的结构；箱体（1）上有置于固定轴（2）上方的电磁线圈（5），电磁线圈（5）产生的磁场关于经过固定轴（2）轴线的纵向竖直平面对称；
箱体（1）的腔体内左右两侧的侧壁上分别有一个红外感应器（6），每个红外感应器（6）外接一个数字计数器（7），红外感应器（6）和数字计数器（7）构成红外感应计数器；两个红外感应计数器分别由线路接入MCU模块（8）；磁性金属球（4）旋转一周与两侧的两个红外感应计数器所发出的红外线接触，MCU模块（8）接收两个红外感应计数器所收到的两个信号，以累计两次信号接收为一个信号计数周期，并以每个信号计数周期内的第一个信号为有效信号，MCU模块（8）控制与有效信号所对应的红外感应计数器来对有效信号进行计数累加操作。
2.根据权利要求1所述的一种概率统计教需演示装置，其特征在于，电磁线圈（5）由线路接入MCU模块（8），MCU模块对电磁线圈（5）的通电和断电进行控制，MCU模块（8）上设有操作面板，通过操作面板对电磁线圈（5）的通电时长、断电时长和通断电次数进行设定。
3.根据权利要求1或2任一所述的一种概率统计教学演示装置，其特征在于，MCU模块（8）采用AT89C51芯片为核心芯片，AT89C51芯片自带时钟电路并载入有相应的程序。
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