CN210244775U - 一种傅科摆演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种傅科摆演示仪，包含亚克力板密闭柜，密闭柜的底部中心处设有光电二极管，密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机；补能装置包含步进电机，步进电机连接螺纹丝杆，螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，升降块连接摆线；摆线的上端连接升降块，摆线的下端连接铁锥，摆线和铁锥均位于密闭柜中；铁锥的底部设有发光二极管，单片机分别与光电二极管和步进电机连接。本实用新型设计亚克力板密闭柜大大减小了外界对铁锥摆动的影响；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

Description

一种傅科摆演示仪

技术领域

本实用新型涉及实验设备技术领域，具体涉及一种傅科摆演示仪。

背景技术

傅科摆（Foucault pendulum）指仅受引力和吊线张力作用而在惯性空间固定平面内运动的摆，是法国物理学家傅科为了证明地球在自转而实用新型。

为了更好的研究和观察地球自传现象，出现了多种实验型傅科摆，但用于实验的傅科摆的摆锤质量较小，其运动受外界影响较大，需要增加不能装置，以补偿摆锤因外界因素的影响而造成的能量损失。

现有技术中虽然出现了带有补能装置的傅科摆，但该补能装置控制灵活性差、精准度低，且结构复杂，不能充分补偿摆锤的能量损失，造成傅科摆实验结果不精确，失去实验的意义。

实用新型内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种傅科摆演示仪，精密度高，实验结果精确。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种傅科摆演示仪，包含亚克力板密闭柜，所述密闭柜的底部中心处设有光电二极管，所述密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机，所述补能装置位于所述密闭柜的顶部中心处；

所述补能装置包含步进电机，所述步进电机连接螺纹丝杆，所述螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，所述升降块连接摆线；

所述摆线的上端连接所述升降块，所述摆线的下端连接铁锥，所述摆线和所述铁锥均位于所述密闭柜中；

所述铁锥的底部设有发光二极管，所述单片机分别与所述光电二极管和所述步进电机连接；

所述密闭柜的顶部设有龙门架，所述步进电机设于所述龙门架的顶部，所述螺纹丝杆和所述升降块位于所述龙门架的内部。

光电二极管位于铁锥在摆线牵引与重力作用下做往复运动的中心处。

进一步地，所述步进电机的内部设有驱动芯片，所述单片机与所述驱动芯片连接。

进一步地，所述步进电机与所述螺纹丝杆之间设有联轴器。

进一步地，所述丝杆上套设有固定块，所述固定块设于所述升降块与所述联轴器之间，所述固定块与所述龙门架连接。

进一步地，所述补能装置还包含导向柱，所述导向柱与所述螺纹丝杆平行设置，所述导向柱的上下两端均与所述龙门架连接，所述升降块的一端套设于所述导向柱上，所述升降块与所述导向柱之间设有导套。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果为：本实用新型的一种傅科摆演示仪，设计亚克力板密闭柜大大减小了外界环境对铁锥摆动的影响，并方便观察；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例中补能装置的剖面结构示意图；

图3为本实用新型实施例的电路控制流程图。

图中：10—密闭柜、11—柜门、12—光电二极管、20—补能装置、21—步进电机、22—联轴器、23—固定块、24—升降块、25—螺纹丝杆、26—导向柱、27—导套、28—丝杆螺母、29—龙门架、30—摆线、40—铁锤、41—发光二极管、50—单片机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，一种傅科摆演示仪，包含亚克力板密闭柜10；

具体地，密闭柜10的底部中心处设有光电二极管12，密闭柜10的顶部分别设有补能装置20和单片机50，补能装置20位于密闭柜10的顶部中心处；本实施例中单片机50采用低功耗，高性能的CMOS 8位单片机AT89S51；

补能装置20包含步进电机21，步进电机21连接螺纹丝杆25，螺纹丝杆25上依次套设有丝杆螺母28和升降块24，升降块24固定连接摆线30；

摆线30的上端连接升降块24，摆线30的下端连接铁锥40，步进电机21用于驱动螺纹丝杆25转动，进而驱动丝杆螺母28和升降块24上下移动，实现摆线30和铁锥40的升降；

摆线30采用尼龙材质，有效避免了因摆线30具有弹性而在提拉过程中震动或因摆线30材质过软而随铁锥40的转动而转动，从而导致摆线30磨损甚至断裂，影响傅科摆的实验效果；

摆线30和铁锥40均位于密闭柜10中，以尽量减少外界对傅科摆的干扰（如空气阻力），且亚克力板为透明材质，方便观察傅科摆的运动过程；

铁锥40的底部设有发光二极管41，单片机50分别与光电二极管12和步进电机41连接；发光二极管41用于发射光信号，当摆线30带动铁锥40摆动至光电二极管12上方时，光电二极管12能够接收发光二极管41发出的光信号，并对单片机50发出信号，单片机50收到光电二极管12发出的信号后控制步进电机21工作。

优选地，步进电机21的内部设有驱动芯片，驱动芯片用于控制步进电机21工作；本实施例中驱动芯片采用ULN2003，ULN2003是七路达林顿驱动器阵列，是个集电极开路（OC）输出的反向器；

单片机50与驱动芯片连接，单片机50用于向驱动芯片发出信号，驱动芯片接收该信号后控制步进电机21转动或反向转动，以向上提拉摆线30或驱动其下降。

可选地，密闭柜10的顶部设有龙门架29，步进电机21设于龙门架29的顶部，螺纹丝杆25和升降块24位于龙门架29的内部，龙门架29用于安装步进电机21和螺纹丝杆25。

在本实用新型的一些实施例中，步进电机21与螺纹丝杆25之间设有联轴器22，步进电机21内部设有输出轴，联轴器22连接输出轴和螺纹丝杆25，步进电机21启动，驱动输出轴转动，进而使联轴器22和螺纹丝杆25一起转动。

在本实用新型的另一个实施例中，螺纹丝杆25上套设有固定块23，固定块23设于升降块24与联轴器22之间，固定块23与龙门架29连接；螺纹丝杆25的上端连接联轴器22，其中部设有固定块23，螺纹丝杆25能够在固定块23内自由转动，固定块23用于固定螺纹丝杆25，使其保持竖直状态，防止其在转动过程中发生晃动，影响摆线30和铁锥40的移动轨迹。

优选地，补能装置20还包含导向柱26，导向柱26与螺纹丝杆25平行设置，导向柱26的上下两端均与龙门架29连接，升降块24的一端套设于导向柱26上，升降块24与导向柱26之间设有导套27，升降块24能够通过导套27沿导向柱26上下移动，保证升降块24沿竖直方向移动，实现对摆线30和铁锥40的垂直提拉。

本实用新型模拟单人站立式荡秋千原理，即当人经过秋千最低点时站立（重心抬高），在达到最顶端和在其之前蹲下（降低重心），便可实现自给自足式补能—永远的摆下去。其中，重心改变的高度为补能的幅度（幅度越大补能越大，反之越小），抬高或降低重心的速率为补能的速率（速率越快补能越大，反之越小）。

如图3所示，单片机50、光电二极管12、发光二极管41和驱动芯片共同构成傅科摆的电路，图中L2为发光二极管41，L1为光电二极管12。

利用光的反射定律和光电二极管12反向击穿特性，当L2移动至L1上方时，L2发出的光照射物体反射后，L1能够接收到该反射光线，此时单片机P3.2与L1构成的回路中电流变的足够大，单片机P3.2端口的电压

V（其中 I：R1、R2、L1构成回路的此时的电流），此时的电压足以使单片机P3.2端口得到输入信号高电平，单片机P3.2向驱动芯片ULN2003发出信号，驱动芯片ULN2003控制步进电机21转动，进而驱动摆线30和铁锥40上升。

当L2直射且无反射光时，此时L1接收不到光线而断路，电路中I = 0 A,单片机P3.2端口得到低电平，单片机P3.2向驱动芯片ULN2003发出信号，驱动芯片ULN2003控制步进电机21反向转动，进而驱动摆线30下降至初始位置。

使用时，将驱动芯片ULN2003负载步进电机21的一端接步进电机21额定电压12V，其另一端接到输出引脚即步进电机A相和B相；单片机P1.0控制A相，P1.1控制B相，通过控制两个引脚之一，输出脉冲可控制步进电机21实现正反转，并控制一个补能周期内脉冲的个数，以改变补能的幅度；同时通过控制脉冲速率和个数可实现调整步进电机21转数和角速度。

本实用新型的一种傅科摆演示仪，设计亚克力板密闭柜大大减小了外界环境对铁锥摆动的影响，并方便观察；补能装置能够实现铁锥升降式补能，满足铁锥持续摆动的能量需求，且能够根据具体需要，精准调整补能的幅度、速率以及频率，在保证铁锥持续摆动的前提下，降低能耗，节省成本。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种傅科摆演示仪，其特征在于，包含亚克力板密闭柜，所述密闭柜的底部中心处设有光电二极管，所述密闭柜的顶部分别设有补能装置和单片机，所述补能装置位于所述密闭柜的顶部中心处；

所述补能装置包含步进电机，所述步进电机连接螺纹丝杆，所述螺纹丝杆上依次套设有丝杆螺母和升降块，所述升降块连接摆线；

所述摆线的上端连接所述升降块，所述摆线的下端连接铁锥，所述摆线和所述铁锥均位于所述密闭柜中；

所述铁锥的底部设有发光二极管，所述单片机分别与所述光电二极管和所述步进电机连接；

所述密闭柜的顶部设有龙门架，所述步进电机设于所述龙门架的顶部，所述螺纹丝杆和所述升降块位于所述龙门架的内部。

2.根据权利要求1所述的傅科摆演示仪，其特征在于，所述步进电机的内部设有驱动芯片，所述单片机与所述驱动芯片连接。

3.根据权利要求1所述的傅科摆演示仪，其特征在于，所述步进电机与所述螺纹丝杆之间设有联轴器。

4.根据权利要求3所述的傅科摆演示仪，其特征在于，所述丝杆上套设有固定块，所述固定块设于所述升降块与所述联轴器之间，所述固定块与所述龙门架连接。

5.根据权利要求4所述的傅科摆演示仪，其特征在于，所述补能装置还包含导向柱，所述导向柱与所述螺纹丝杆平行设置，所述导向柱的上下两端均与所述龙门架连接，所述升降块的一端套设于所述导向柱上，所述升降块与所述导向柱之间设有导套。

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