CN107610564A - 一种自由落体实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由落体实验装置，包括外壳和设置在外壳内的实验组件，所述实验组件包括均设置在外壳内的电机、铁球、与电机的转轴同轴固定的旋转轴和缠绕在旋转轴上的连接线，所述电机和编码器均与控制器耦接，控制器控制电机旋转，并接收编码器所输出的编码值，所述控制器内具有计时器，所述外壳内设有用于锁定旋转轴的锁定组件，该外壳的下侧面开设有供铁球穿过的下落孔。本发明的自由落体实验装置，通过控制器、铁球、连接线、电机、旋转轴和编码器的设置，便可以有效的实现一个自由落体实验检测的过程，其并不需要用到支架，因而可以大大减小整个实验装置的体积，方便了人们的携带。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验设备，更具体的说是涉及一种自由落体实验装置。
背景技术
测量重力加速度(g，常用值9.81m/s2)是中学物理中的一个基本实验项目，现在的物理实验教学中使用的仪器大多是用打点计时器在系着下落重物的纸带上进行记录的方法，而且实验仪器不便于携带入课堂，需要学生进入专门的实验室进行测试。尽管有很多种方法可以测量重力加速度，而落体法测重力加速度是所有方法中最直接而又简单的方法。
然而现有的落体法的仪器设备都是包括一个支架、在支架顶端的电磁铁和沿着支架从上至下均匀分布的光电门以及铁球，在测量重力加速度的过程中，首先将铁球吸在电磁铁上，然后再断开电磁铁的电源，那么铁球就会在重力的作用下做自由落体运动，在其做自由落体运动的过程中，光电门就会检测到铁球运动到光电门的时候的时间，那么光电门的距离是一定的，在知道了运动到这个位置的时间之后，那么便可以计算出铁球到达光电门的速度，自然便可以通过多个光电门的速度计算出铁球的加速度了，然而由于现有的铁球运动速度比较快，因此支架的长度需要设置的较长，以保证光电门之间有足够的检测距离，因此就会导致支架的体积增大，那么也不方便人们的携带，这样教师在将实验器材拿到教室的过程中就显得很不方便。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种携带方便的自由落体实验装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种自由落体实验装置，包括外壳和设置在外壳内的实验组件，所述实验组件包括均设置在外壳内的电机、铁球、与电机的转轴同轴固定的旋转轴和缠绕在旋转轴上的连接线，所述连接线的一端与旋转轴固定连接，另一端与铁球固定连接，所述旋转轴上套接有编码器，所述电机的机身上贴设有用于控制电机旋转的控制器，所述电机和编码器均与控制器耦接，控制器控制电机旋转，并接收编码器所输出的编码值，所述控制器内具有计时器，所述计时器用于计算铁球的下落时间，并截取下落时间中所对应的编码器输出的编码值，所述外壳内设有用于锁定旋转轴的锁定组件，该外壳的下侧面开设有供铁球穿过的下落孔，当进行自由落体实验时，锁定组件解除旋转轴锁定，电机驱动旋转轴随着铁球的落下而旋转，计时器截取下落时间中所对应的编码器输出的编码值。
作为本发明的进一步改进，所述锁定组件包括按钮开关和与按钮开关联动的两片刹车片，所述按钮开关与控制器电连接，两片所述刹车片配合夹持住旋转轴，当按钮开关被按下时，电机通电旋转，同时两片刹车片放开旋转轴。
作为本发明的进一步改进，所述按钮开关包括呈中空圆柱状的壳体、可滑移的设置在壳体内按钮块和设置在壳体的一端的两片接触片，所述按钮块穿出到外壳外，所述两片接触片相互间隔设置，并均与控制器和计时器连接，其中一片接触片与按钮块相抵触，当按钮块被按下时，一片接触片朝向另一片接触片运动，直至两片接触片相互接触，所述壳体的侧壁上开设有相对设置的两个刹车孔，两片所述刹车片均呈弧形长条状，其一端分别通过两个刹车孔伸入到壳体内，并相互铰接后与按钮块相互抵触，两片刹车片的侧面分别与两个刹车孔的孔壁铰接，当按钮块被按下时，两片刹车片的端部被压下，两片刹车片相互分离。
作为本发明的进一步改进，所述计时器包括：
定时电路，用于定时输出电平信号；
定时开关管，该定时开关管具有第一端、第二端和控制端，所述控制端与定时电路耦接，用于接收电平信号，第一端与控制器耦接，第二端与编码器耦接。作为本发明的进一步改进，所述定时电路包括：
定时芯片U1，该定时芯片U1具有高触发端、低触发端、放电端和输出端，所述高触发端耦接有可变电阻RP和电阻R1后接电源，还耦接有电容C后接地，所述放电端耦接于可变电阻RP，所述低触发端耦接于按钮开关后接地，所述输出端耦接于定时开关管的控制端。
作为本发明的进一步改进，所述控制器包括：
主控MCU，该主控MCU上具有多个I/O引脚，所述I/O引脚与计时器耦接，用于接收计时器截取到的编码值，并依据编码值输出显示信号；
显示屏，该显示屏耦接于主控MCU的I/O引脚，用于接收显示信号并显示出来。作为本发明的进一步改进，所述外壳呈圆柱状设置，所述旋转轴与外壳同轴设置，其外侧壁上开设有供人手指嵌入的指槽，所述下落孔设置在外壳外侧壁靠近端部的位置上。
本发明的有益效果，通过外壳的设置，就可以有效的将实验组件容纳到一个外壳内，如此大大的减小了实验装置的体积，通过将实验组件设置成电机、铁球、旋转轴和连接线的设置，便可以通过电机、铁球、旋转轴和连接线的设置，铁球可以作为现有技术中的自由落体的主体，通过电机可以抵消掉旋转轴自然旋转过程中所产生的阻力，使得铁球能够做自由落体运动，连接线则是为了回收下落完成的铁球，同时也提供给铁球一个下落的距离，等于现有的支架，而通过编码器和计时器的设置，则可以有效的代替现有的支架上的光电门来检测铁球在下落的过程中时间，不同的是，现有的光电门采用距离一定时间检测的方式，本发明中采用时间一定，距离检测的方式来计算出每个时间点的铁球的速度，如此便可以有效的实现实验并检测出重力加速度的效果，而通过锁定组件和下落孔的设置，使之等于现有的电磁铁，保持铁球在做实验之前是处于水平静止状态，保证实验的准确性，因而本发明通过上述设置便可以有效的完成自由落体实验，并且实现这个实验所涉及到的零部件，电机、铁球、旋转轴和连接线以及编码器的体积都可以做的较小，因此大大的方便了教室从实验室拿器材到教室的过程。
附图说明
图1为本发明的自由落体实验装置的整体结构图；
图2为锁定组件的整体结构图；
图3为控制器的模块框图；
图4为计时器的电路图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至4所示，本实施例的一种自由落体实验装置，包括外壳1和设置在外壳1内的实验组件2，所述实验组件2包括均设置在外壳1内的电机21、铁球24、与电机21的转轴同轴固定的旋转轴22和缠绕在旋转轴22上的连接线23，所述连接线23的一端与旋转轴22固定连接，另一端与铁球24固定连接，所述旋转轴22上套接有编码器3，所述电机21的机身上贴设有用于控制电机旋转的控制器4，所述电机21和编码器3均与控制器4耦接，控制器4控制电机21旋转，并接收编码器3所输出的编码值，所述控制器4内具有计时器41，所述计时器41用于计算铁球24的下落时间，并截取下落时间中所对应的编码器3输出的编码值，所述外壳1内设有用于锁定旋转轴22的锁定组件5，该外壳1的下侧面开设有供铁球24穿过的下落孔11，当进行自由落体实验时，锁定组件5解除旋转轴22锁定，电机21驱动旋转轴22随着铁球24的落下而旋转，计时器41截取下落时间中所对应的编码器3输出的编码值，在使用本实施例中的自由落体实验装置的过程中，只需要用手拿住外壳1，然后驱动锁定组件5放开旋转轴22，那么同时电机21就会运行开始旋转，那么铁球24就会从下落孔11落下，缠绕在旋转轴22上的连接线23就不断的放长，同时编码器3和计时器41就会工作，计时器41计算时间，截取多个时间节点的编码器3输出的编码值，如此作为在时间一定的所检测到的距离，这样计算出每个时间节点铁球24所对应的速度，进而就能够有效的计算出铁球24的加速度了，如此有效的实现了利用自由落体实验来计算重力加速度的效果，同时由于上述实验所用到的器件则是旋转轴22、计时器41、编码器3和电机21等小型部件，因而可以容纳到外壳1内，相比于现有技术中有支架的方式，体积更为小巧更加方便携带，其中在本实施例中假如采用铁球24自行下落的方式，就会因为连接线23和旋转轴22之间的摩擦力，导致铁球24并不是处于一个自由落体的状态的，因而就会导致最后计算得出的结论不准确的问题，因此本实施例中采用在铁球24下落的过程中利用电机21的主动旋转放线，实现一个补充连接线23与旋转轴22之间摩擦力的效果，使得铁球24处于一个自由落体的运动状态，这样在实现了整个实验装置方便携带的同时，还保持了实验结果的准确性。
作为改进的一种具体实施方式，所述锁定组件5包括按钮开关51和与按钮开关51联动的两片刹车片52，所述按钮开关51与控制器4电连接，两片所述刹车片52配合夹持住旋转轴22，当按钮开关51被按下时，电机21通电旋转，同时两片刹车片52放开旋转轴22，通过两片刹车片52的配合作用，就可以有效的通过夹持住旋转轴22来实现对旋转轴22进行有效的一个刹车的作用，这样在未开始进行实验的时候，就可以通过旋转轴22刹车的作用，来避免在未开始实验的时候，铁球24从下落孔11落下的问题，而通过按钮开关51的设置，就可以在实验的时候，人手抓住外壳1，同时按下按钮开关51，按钮开关51一方面就会打开两片刹车片52，另一方面就会发送信号给控制器4和计时器41，控制器4便会控制电机21旋转，同时计时器41进行计时，如此实现了一个在开始实验的时候，将电机21、刹车片52同步打开的效果，避免了出现一方面没打开导致的实验数据不准确或是无法开始实验的问题，其中如图2所示本实施例中的按钮块512的下侧设有一个顶柱与接触片513相抵触，在按钮块512被按下的时候，按钮块512与刹车片52的端部相互抵触，压下刹车片52的端部，使得刹车片52以刹车孔514为轴产生相背方向的翻转，使得两个刹车片52相互分离，达到解锁的目的，其中本实施例中刹车片52相对于按钮块512的另一端的端部由弹性件相互连接，以保持在锁定的时候，刹车片52与旋转轴22之间的锁紧力，其中这里的弹性件可以为橡皮筋，也可以为拉簧。
作为改进的一种具体实施方式，所述按钮开关51包括呈中空圆柱状的壳体511、可滑移的设置在壳体511内按钮块512和设置在壳体511的一端的两片接触片513，所述按钮块512穿出到外壳1外，所述两片接触片513相互间隔设置，并均与控制器4和计时器41连接，其中一片接触片513与按钮块512相抵触，当按钮块512被按下时，一片接触片513朝向另一片接触片513运动，直至两片接触片513相互接触，所述壳体511的侧壁上开设有相对设置的两个刹车孔514，两片所述刹车片52均呈弧形长条状，其一端分别通过两个刹车孔514伸入到壳体511内，并相互铰接后与按钮块512相互抵触，两片刹车片52的侧面分别与两个刹车孔514的孔壁铰接，当按钮块512被按下时，两片刹车片52的端部被压下，两片刹车片52相互分离，通过上述结构的设置，便可以实现在按钮开关51按下以后，通过两片接触片513实现给控制器4和计时器41发送信号，通过按钮块512与刹车片52之间的相抵触关系，实现在给控制器4和计时器41发送信号的同时，还能够有效的驱动两片刹车片52之间分离放开旋转轴22的效果，很好的实现了控制器4、计时器41以及刹车片52之间的联动，且整体结构简单便于实现，同时绝大多数的部件都是设置在壳体511内，因此其在外壳1内所占空间较小，进一步的增加了实验装置的便携性。
作为改进的一种具体实施方式，所述计时器41包括：
定时电路411，用于定时输出电平信号；
定时开关管412，该定时开关管412具有第一端、第二端和控制端，所述控制端与定时电路411耦接，用于接收电平信号，第一端与控制器4耦接，第二端与编码器3耦接，通过定时电路411的设置，就可以实现定时的输出一个信号，然后通过定时开关管412的设置，便可以控制编码器3与控制器4之间是否通信连接来实现是否给控制器4输入编码值信号的效果，因而通过将定时电路411与定时开关管412的控制端连接，这样定时电路411定时输出的电平信号就会控制定时开关管412的定时通断，如此很好的实现了一个定时向控制器4输入编码值信号的效果，相比于采用智能控制芯片来实现驱动定时接收编码值信号的方式，一方面其结构简单，所用的器件少，同时由于其所用到的定时开关管412体积小巧，如此便可以有效的容纳到外壳1内，进一步的保证了实验装置的便携性。
作为改进的一种具体实施方式，所述定时电路411包括：
定时芯片U1，该定时芯片U1具有高触发端、低触发端、放电端和输出端，所述高触发端耦接有可变电阻RP和电阻R1后接电源，还耦接有电容C后接地，所述放电端耦接于可变电阻RP，所述低触发端耦接于按钮开关51后接地，所述输出端耦接于定时开关管412的控制端，在本实施例中所用的定时芯片U1为555定时芯片，因此可以通过高触发端和低触发端的触发特性有效的实现一个定时输出高电平信号和低电平信号的效果，如此很好的实现了一个定时电路411所想要的功能，并且555定时芯片具有体积小巧的特点，因此用在这里可以很好的避免定时电路411占用过多的空间使得外壳1体积变大不利于便携的问题。
作为改进的一种具体实施方式，所述控制器4包括：
主控MCU，该主控MCU上具有多个I/O引脚，所述I/O引脚与计时器41耦接，用于接收计时器41截取到的编码值，并依据编码值输出显示信号；
显示屏42，该显示屏42耦接于主控MCU的I/O引脚，用于接收显示信号并显示出来，其中本实施例中的主控MCU采用现有的体积小巧的智能逻辑芯片，或是为成本考虑选用简单的51单片机，由于51单片机呈长条状，因此能够很好的符合本实施例中的外壳1，对整体便携性的影响不是很大，且能够很好的实现显示处理的功能，本实施例中的显示屏42则为微型数码管，数码管显示具有程序简单容易实现的效果，同时其所占的空间也不大，因此可以避免影响整体的便携性，其中，这里的51单片机控制数码管的显示为现有技术，因而本实施例中就不再赘述。
作为改进的一种具体实施方式，所述外壳1呈圆柱状设置，所述旋转轴22与外壳1同轴设置，其外侧壁上开设有供人手指嵌入的指槽12，所述下落孔11设置在外壳1外侧壁靠近端部的位置上，由于实验装置在使用的过程中，是握持在人的手上的，因而人的手能够握持住实验装置的牢固性与否就显得十分重要，因此通过这里的指槽12的设置，就可以有效的在人握持外壳1的时候，提供一个固定的作用，如此避免在实验的过程中人手没有抓住外壳1导致整个实验失败的问题，同时也使得外壳1握持起来更加的输出，进一步增加了实验装置的便携性，其中按钮块512设置在外壳1靠近指槽12的位置上，用于方便人握持住外壳1的时候，能够实现一个顺手按下的效果，进一步增加了装置的便携性。
综上所述，通过外壳1的设置，就可以有效的供人手拿住，而通过实验组件2的设置，就可以有效的实现自由落体的实验，由于不需要使用到支架，因而本实施例的实验装置的便携性更高，同时也实现了一个可以随时随地实验的效果，不会受到场地的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自由落体实验装置，其特征在于：包括外壳(1)和设置在外壳(1)内的实验组件(2)，所述实验组件(2)包括均设置在外壳(1)内的电机(21)、铁球(24)、与电机(21)的转轴同轴固定的旋转轴(22)和缠绕在旋转轴(22)上的连接线(23)，所述连接线(23)的一端与旋转轴(22)固定连接，另一端与铁球(24)固定连接，所述旋转轴(22)上套接有编码器(3)，所述电机(21)的机身上贴设有用于控制电机旋转的控制器(4)，所述电机(21)和编码器(3)均与控制器(4)耦接，控制器(4)控制电机(21)旋转，并接收编码器(3)所输出的编码值，所述控制器(4)内具有计时器(41)，所述计时器(41)用于计算铁球(24)的下落时间，并截取下落时间中所对应的编码器(3)输出的编码值，所述外壳(1)内设有用于锁定旋转轴(22)的锁定组件(5)，该外壳(1)的下侧面开设有供铁球(24)穿过的下落孔(11)，当进行自由落体实验时，锁定组件(5)解除旋转轴(22)锁定，电机(21)驱动旋转轴(22)随着铁球(24)的落下而旋转，计时器(41)截取下落时间中所对应的编码器(3)输出的编码值。
2.根据权利要求1所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述锁定组件(5)包括按钮开关(51)和与按钮开关(51)联动的两片刹车片(52)，所述按钮开关(51)与控制器(4)电连接，两片所述刹车片(52)配合夹持住旋转轴(22)，当按钮开关(51)被按下时，电机(21)通电旋转，同时两片刹车片(52)放开旋转轴(22)。
3.根据权利要求2所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述按钮开关(51)包括呈中空圆柱状的壳体(511)、可滑移的设置在壳体(511)内按钮块(512)和设置在壳体(511)的一端的两片接触片(513)，所述按钮块(512)穿出到外壳(1)外，所述两片接触片(513)相互间隔设置，并均与控制器(4)和计时器(41)连接，其中一片接触片(513)与按钮块(512)相抵触，当按钮块(512)被按下时，一片接触片(513)朝向另一片接触片(513)运动，直至两片接触片(513)相互接触，所述壳体(511)的侧壁上开设有相对设置的两个刹车孔(514)，两片所述刹车片(52)均呈弧形长条状，其一端分别通过两个刹车孔(514)伸入到壳体(511)内，并相互铰接后与按钮块(512)相互抵触，两片刹车片(52)的侧面分别与两个刹车孔(514)的孔壁铰接，当按钮块(512)被按下时，两片刹车片(52)的端部被压下，两片刹车片(52)相互分离。
4.根据权利要求2或3所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述计时器(41)包括：
定时电路(411)，用于定时输出电平信号；
定时开关管(412)，该定时开关管(412)具有第一端、第二端和控制端，所述控制端与定时电路(411)耦接，用于接收电平信号，第一端与控制器(4)耦接，第二端与编码器(3)耦接。
5.根据权利要去4所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述定时电路(411)包括：
定时芯片U1，该定时芯片U1具有高触发端、低触发端、放电端和输出端，所述高触发端耦接有可变电阻RP和电阻R1后接电源，还耦接有电容C后接地，所述放电端耦接于可变电阻RP，所述低触发端耦接于按钮开关(51)后接地，所述输出端耦接于定时开关管(412)的控制端。
6.根据权利要求1或2或3所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述控制器(4)包括：
主控MCU，该主控MCU上具有多个I/O引脚，所述I/O引脚与计时器(41)耦接，用于接收计时器(41)截取到的编码值，并依据编码值输出显示信号；显示屏(42)，该显示屏(42)耦接于主控MCU的I/O引脚，用于接收显示信号并显示出来。
7.根据权利要求1或2或3所述的自由落体实验装置，其特征在于：所述外壳(1)呈圆柱状设置，所述旋转轴(22)与外壳(1)同轴设置，其外侧壁上开设有供人手指嵌入的指槽(12)，所述下落孔(11)设置在外壳(1)外侧壁靠近端部的位置上。
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