CN212873807U - 一种圆周运动演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种圆周运动演示仪，包括圆周运动装置、运动驱动装置和控制装置，其中，所述圆周运动装置包括圆盘、加速度测试组件和加速度演示组件，所述圆盘上开设有转轴孔和若干个安装孔，所述转轴孔位于所述圆盘的中心，所述加速度测试组件和所述加速度演示组件分别可拆卸连接于所述圆盘的任一安装孔中，所述运动驱动装置连接于所述圆盘的转轴孔、并用于带动所述圆盘旋转，所述控制装置与所述加速度测试组件和所述运动驱动装置电连接。本实用新型同时定性和定量地对圆周运动的加速度进行演示，进而更好的帮助理解圆周运动的物体的加速度。

Description

一种圆周运动演示仪

技术领域

本实用新型涉及教学仪器技术领域，特别涉及一种圆周运动演示仪。

背景技术

圆周运动作为曲线运动的一种基本形式，在物体运动中广泛存在，因为是物理学中关于质点运动理论学习的重要内容之一。然而，由于圆周运动描述涉及到力F、圆周半径R、线速度v、角速度ω、加速度(法向加速度a_n、切向加速度a_τ)等多个描述参量，且这些参量之间又存在着复杂的函数关系，其中圆周运动的物体的加速度与其他参量直接或者间接存在影响关系，所以理解圆周运动的物体的加速度能够实现对圆周运动的所有参量的理解，但是对初学者来说要充分掌握圆周运动的物体的加速度存在着较大困难。为此，引入课堂辅助教学仪器可在一定程度上缓解这一困难，目前市面上也有相关的研究成果(如专利CN2016200651878、CN2016210497693、CN2016100458409等)面世，有效地促进了相关课堂教学效果的提升。但这些发明只能定性地演示圆周运动的某些规律，而不能同时定性和定量地对参量之间的关系进行直接演示。

因而现有技术还有待改进和提高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种圆周运动演示仪，可同时定性和定量地对圆周运动的加速度进行演示。

为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种圆周运动演示仪，包括圆周运动装置、运动驱动装置和控制装置，其中，

所述圆周运动装置包括圆盘、加速度测试组件和加速度演示组件，所述圆盘上开设有转轴孔和若干个安装孔，所述转轴孔位于所述圆盘的中心，所述加速度测试组件和所述加速度演示组件分别可拆卸连接于所述圆盘的任一安装孔中，所述运动驱动装置连接于所述圆盘的转轴孔、并用于带动所述圆盘旋转，所述控制装置与所述加速度测试组件和所述运动驱动装置电连接；

所述加速度测试组件和所述加速度演示组件均可跟随所述圆盘旋转，所述加速度测试组件用于采集所述加速度测试组件在跟随所述圆盘旋转时的切向加速度信号和法向加速度信号；所述加速度演示组件用于演示所述加速度演示组件在跟随所述圆盘旋转时的切向加速度和法向加速度；所述控制装置用于驱动所述运动驱动装置动作，以及接收所述切向加速度信号和法向加速度信号后显示切向加速度数据和法向加速度数据。

相较于现有技术，本实用新型提供的圆周运动演示仪，通过控制装置驱动运动驱动装置运动，以实现物体的圆周运动，然后通过加速度测试组件来采集圆周运动的物体的加速度数据，可以直观的进行圆周运动的物体的加速度的定量演示，通过加速度演示组件可以进行实物位置变化的演示，从而实现了对圆周运动的物体的加速度的定性演示，进而更好的帮助理解圆周运动的物体的加速度。

附图说明

图1为本实用新型提供的圆周运动演示仪的一较佳实施例的第一状态示意图；

图2为本实用新型提供的圆周运动演示仪的一较佳实施例的第二状态示意图；

图3为本实用新型提供的圆周运动演示仪中，所述加速度测试组件的一较佳实施例的示意图；

图4为本实用新型提供的圆周运动演示仪中，所述第一基板的一较佳实施例的结构示意图；

图5为本实用新型提供的圆周运动演示仪中，所述加速度演示组件的一较佳实施例的示意图；

图6为本实用新型提供的圆周运动演示仪中，所述第二基板的一较佳实施例的结构示意图；

图7为本实用新型提供的圆周运动演示仪中，所述圆盘的一较佳实施例的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种圆周运动演示仪，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

请参阅图1和图2，本实用新型提供的圆周运动演示仪，包括圆周运动装置1、运动驱动装置2和控制装置3，其中，

所述圆周运动装置1包括圆盘11、加速度测试组件12和加速度演示组件13，所述圆盘11上开设有转轴孔111和若干个安装孔112，所述转轴孔111位于所述圆盘11的中心，所述加速度测试组件12和所述加速度演示组件13分别可拆卸连接于所述圆盘11的任一安装孔112中，所述运动驱动装置2连接于所述圆盘11的转轴孔111、并用于带动所述圆盘11旋转，所述控制装置3与所述加速度测试组件12和所述运动驱动装置2电连接。

具体的，所述加速度测试组件12和所述加速度演示组件13均可跟随所述圆盘11旋转，从而可以实现绕所述圆盘的中心的圆周运动，所述加速度测试组件12用于采集所述加速度测试组件12在跟随所述圆盘11旋转时的切向加速度信号和法向加速度信号；所述加速度演示组件13用于演示所述加速度演示组件13在跟随所述圆盘11旋转时的切向加速度和法向加速度；所述控制装置3用于驱动所述运动驱动装置2动作，以及接收所述切向加速度信号和法向加速度信号后显示切向加速度数据和法向加速度数据。

换而言之，本实用新型提供的圆周运动演示仪在进行圆周运动演示时，先分别将所述加速度测试组件12和所述加速度演示组件13可拆卸连接于所述圆盘11的任一安装孔中，然后使所述控制装置3驱动所述运动驱动装置2动作，使所述运动驱动装置2带动所述圆盘11旋转，在所述圆盘11旋转时，所述加速度测试组件12跟随旋转，从而可以采集到圆周运动的物体的加速度信号(包括切向加速度信号和法向加速度信号)，然后将所述加速度信号传输给所述控制装置3，由所述控制装置3进行模数转换后显示加速度数据(包括切向加速度数据和法向加速度数据)，实现圆周运动的物体的加速度的定量演示；同时，所述圆盘11旋转时，所述加速度演示组件11也跟随旋转，从而可以直观的演示物体在圆周运动中的相对位置和运动状态变化，间接实现对圆周运动的物体的加速度的定性演示，进而更好的帮助理解圆周运动中物体的加速度。

进一步的实施例中，请参阅图3和图4，所述加速度测试组件12包括第一基板121、六轴陀螺仪芯片122和无线收发芯片123，所述第一基板121具有第一固定轴124，所述第一固定轴124可拆卸连接于所述圆盘11的任一安装孔112中，所述六轴陀螺仪芯片122和所述无线收发芯片123均设置在所述第一基板121上，所述六轴陀螺仪芯片122连接所述无线收发芯片123，所述无线收发芯片123连接所述控制装置3；具体实施时，所述六轴陀螺仪芯片122的IO输出口连接所述无线收发芯片123的接收端口，所述无线收发芯片123的发射端口通过天线连接所述控制装置3。

具体的，所述第一基板121通过所述第一固定轴124安装于所述圆盘的安装孔112中，随着圆盘11的运动而实现对不同位置的加速度的检测，完成数据的测量。其中，所述六轴陀螺仪芯片122内置有三个陀螺仪和三个加速度计，可用于测量物体在三维空间中的方向改变量大小及改变的快慢，从而实现对物体的三维空间的加速度的检测，即可以实现法向加速度信号和切向加速度信号的采集，在安装时只需将陀螺仪的三个初始方向与所述加速度测试组件的三维初始方向重合即可，所述法向加速度信号和切向加速度信号经过所述无线收发芯片的接收端口，从所述无线收发芯片的发射端口以串口的形式将信号发射给所述控制装置3，从而实现加速度信号的采集及无线传输。

具体实施时，所述六轴陀螺仪芯片122的型号为MPU6050，采集的加速度信号准确，且处理速度快，当然，在其它的实施例中，所述六轴陀螺仪芯片122还可采用其它型号的芯片，本实用新型对此不做限定；所述无线收发芯片123的型号为nRF24L01，传输速度快，当然在其他的实施例中，所述无线收发芯片123还可采用其它型号的芯片，本实用新型对此不做限定。

应当理解的是，所述六轴陀螺仪芯片122和所述无线收发芯片123还包括一系列的外围电路，以保证所述六轴陀螺仪芯片122和无线收发芯片123可实现其功能，所述外围电路均为本领域技术人员公知的电路，例如晶振、滤波等电路，在此不再对其进行详细说明。

优选的实施例中，请继续参阅图3，所述加速度测试组件12还包括电源125、电源开关126和状态指示灯127，所述电源125与所述六轴陀螺仪芯片122、所述无线收发芯片123、所述电源开关126和所述状态指示灯127电连接，其中，所述电源125为电池，用于实现加速度测试组件12的供电，所述电源开关126用于通断电源125，所述状态指示灯127用于指示电源125的状态。

请参阅图5和图6，所述加速度演示组件13包括第二基板131、演示球132、第一弹簧133、第二弹簧134、第三弹簧135和第四弹簧136，所述第二基板131具有第二固定轴137，所述第二固定轴137可拆卸连接于所述圆盘11的任一安装孔中，所述第一弹簧133的一端、第二弹簧134的一端、第三弹簧135的一端和第四弹簧136的一端均固定于所述第二基板131上，所述第一弹簧133的另一端、第二弹簧134的另一端、第三弹簧135的另一端和第四弹簧136的另一端均固定于所述演示球132上，当无外力驱使时，所述演示球132位于所述第二基板131的中心，所述第一弹簧133和所述第三弹簧135相对于所述演示球132对称，所述第二弹簧134和所述第四弹簧136相对于所述演示球132对称。

具体来说，所述第二基板131通过所述第二固定轴137安装于所述圆盘11的安装孔112中，随着圆盘11的运动而实现对不同位置的加速度的演示，所述演示球132通过四根弹簧(即第一弹簧133、第二弹簧134、第三弹簧135和第四弹簧136)进行固定，在进行圆周运动时，所述演示球132在各方向上的受力是不均匀的，从而对弹簧在各方向上产生压缩或拉伸的效果，进而完成圆周运动中物体加速度的定性演示。

优选的实施例中，请继续参阅图5，所述第一弹簧133、第二弹簧134、第三弹簧135和第四弹簧136均固定连接有一弹簧位置指针138，从而实现对弹簧在各方向上的位置进行标识，更清楚的实现圆周运动中物体加速度的定性演示。

优选的实施例中，请继续参阅图5，所述第二基板131上设置有若干条分别用于标识第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的位置和状态变化的标示线139，从而可以表现出演示球132在该方向上随弹簧的形变产生的位移量，更直观的进行圆周运动的物体的加速度的定性演示。

具体来说，在静置状态下，四根弹簧因受力均衡，伸长量相等，使演示球132位于所述第二基板131的中心位置，弹簧位置指针138与标示线139重合，当所述加速度演示组件13在圆盘11的带动下绕圆盘11的中心转动时，演示球132在各方向上的受力将不再平衡，需要弹簧通过形变产生恢复力来维持平衡。根据胡克定律F＝-kΔx可知回复力F与弹簧的伸长量Δx是成正比的，而该回复力F＝ma正比于演示球132在该处所受加速度a。由此，只需观察弹簧位置指针138离开原来位置的距离改变量大小就可以定性地判断演示球132在该方向上受到的加速度大小。

请继续参阅图1和图2，所述运动驱动装置2包括底座21、支撑组件22和步进电机23，所述支撑组件22固定于所述底座21上，所述步进电机23固定于所述支撑组件22上，所述步进电机23的输出轴231连接于所述圆盘11的转轴孔111并用于带动所述圆盘11旋转，所述步进电机23与所述控制装置3电连接。所述步进电机23在启动后可通过其输出轴231来驱动所述圆盘11旋转，从而实现物体的圆周运动。优选的，所述底座21的底座还设置有减震垫，通过所述减震垫来减少所述步进电机23运行时的震动，进而增加圆周运动演示的准确性。

优选的实施例中，请继续参阅图1和图2，所述支撑组件22包括支撑杆221、连接杆222和连接螺栓223，所述支撑杆221固定于所述底座21上，所述连接杆222上开设有至少一个限位孔2221，所述连接杆222与所述步进电机23固定连接，所述连接螺栓223依次穿过所述限位孔2221和所述支撑杆221、将所述连接杆222与所述支撑杆221固定。

具体来说，本实用新型中的所述支撑组件22设计为可弯折结构，从而实现圆盘11在水平面和竖直面内的运动演示。具体的，如图1所示，当所述连接杆222与所述支撑杆221呈90°夹角时，所述圆盘11呈竖直状态，从而可以观察在重力参与下的圆周运动演示；当所述连接杆222与所述支撑杆221呈180°夹角时，所述圆盘11呈水平状态，从而可以观察在没有重力参与下的圆周运动演示，实现更多状态的圆周运动演示。

请继续参与图1和图2，所述控制装置3包括控制箱31、信号处理芯片(图中未示出)、电机驱动芯片(图中未示出)和显示屏32，所述信号处理芯片和信号处理芯片均设置于所述控制箱31的内部，所述信号处理芯片与所述无线收发芯片123以及所述电机驱动芯片电连接，所述电机驱动芯片还连接所述驱动电机23，所述控制箱31具有若干个功能按键33，所述显示屏32嵌设在所述控制箱31上，所述功能按键33与所述显示屏32均连接所述信号处理芯片。

具体来说，所述信号处理芯片可发出信号给所述电机驱动芯片，使所述电机驱动芯片驱动所述步进电机动作或不动作，具体可通过功能按键33实现控制指令的输入，所述信号处理芯片还通过所述无线收发芯片123来接收所述六轴陀螺仪芯片122采集的加速度信号，并进行模数转换后，输出加速度值至所述显示屏32上显示，具体实施时，所述信号处理芯片采用ATMEL公司生产的ATMEGA328单片机，所述单片机通过若干个IO口分别连接所述功能按键32和显示屏33，所述单片机的信号输出端连接所述电机驱动芯片的信号输入端，所述电机驱动芯片的信号输出端连接所述步进电机。进一步的，所述电机驱动芯片采用TRINAMIC公司生产的TMC5160-TA步进电机驱动器，与所述无刷直流步进电机组成低噪音驱动系统，具有独特StealthChop斩波控制功能，具有低速运行平稳、噪音极低的优点，并在使用256细分的最大细分数后步进电机的平稳性得到进一步提高，可满足演示过程中的静音设计需求。

优选的实施例中，请参阅图7，所述圆盘11上具有若干条沿圆盘的圆周设置的同心圆标线113，各个所述安装孔112均匀分布在每个同心圆标线113上。具体的，圆盘11采用直径1m的1cm厚刚性亚克力玻璃板加工成，在盘面上以25cm、35cm、45cm为半径分别描有三个同心圆标线113，在同心圆标线113上相距90°圆心角的位置打有多个安装孔112(如图1中A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4)，该孔可用于加速度测试模块12或加速度演示模块13的固定与安装。

请参阅图1至图6，为了更好的理解本实用新型，以下结合具体实施例来对本实用新型提供的圆周运动演示仪的功能进行说明：

第一应用实施例：相同圆心距下，不同转速对加速度的影响演示

将圆盘11处于水平放置，取1组加速度测试组件12和1组加速度演示组件13对称固定在圆盘11的安装孔B1和安装孔B3位置。启动步进电机23驱动圆盘11，使其转速逐渐改变。在转速逐渐变化过程中，可以看到加速度测试组件12传回到数据显示屏32的数值随之改变，同时加速度演示模块13中演示球及弹簧的长度和位置也会产生相应改变，完成转速大小对离心加速度的定性与定量演示。

第二应用实施例：相同转速下，不同圆心距对加速度的影响演示

将圆盘11水平放置，分取2组加速度测试组件12和2组加速度演示组件13，一组加速度测试组件12和加速度演示组件13固定放置在圆盘11的安装孔B1和安装孔B3处，将另一组加速度测试组件12和加速度演示模块13分三次分别放置在安装孔A2和安装孔A4处、安装孔B2和安装孔B4处、安装孔C2和安装孔C4处。若此过程中将步进电机23的转速设置为同一转速，可演示在相同转速情况下不同圆周半径对离心加速度的影响。

第三应用实施例：相同圆心距下，不同质量对加速度的影响演示

同第一应用实施例，仅更换加速度演示组件11中演示球的质量，并对更换前后在不同转速情况下弹簧的形变量与加速度、转速之间的关系进行演示。可以发现在相同的转速下离心加速度是相同的，而弹簧的形变量与转速成正比。

第四应用实施例：相同圆心距时，不同转速对加速度的影响演示

同第一应用实施例中，急速改变圆盘11的转速，观察和测量切线方向、法线方向上的加速度数值变化和相应情况下演示球对弹簧产生的形变变化。

第五应用实施例：重力参与下的圆周运动演示

将圆盘11呈竖直放置，启动步进电机23驱动圆盘11转动，对前面第一应用实施例至第四应用实施例的情形演示。可对在重力参与下，转速、离心距离、重物质量等参量在物体沿竖直面内运动时对加速度测量数值测量的影响。同时，加速度演示组件13中弹簧形变量的变化差异可辅助这一过程的定性地演示。

第六应用实施例：水流星表演的原理解释演示

将圆盘11呈竖直放置，将角速度由零慢速增加，同时观察加速度测试组件12测量数据变化和加速度演示组件13中演示球对弹簧作用力产生形变的变化，特别是加速度演示组件13过最高和最低点时弹簧的形变情况。可发现在转速较低时，重力作用大于离心力作用，在最高点两力产生的合力是向下的，随着转速的提高，合力方向将是指向向上方向的。由此，演示了水流星表演中水桶中水体在转速足够高的时候会对桶底产生压力，而不会掉落的原因。

综上所述，本实用新型提供的圆周运动演示仪，通过控制装置驱动运动驱动装置运动，以实现物体的圆周运动，然后通过加速度测试组件来采集圆周运动的物体的加速度数据，可以直观的圆周运动的物体的加速度的定量演示，通过加速度演示组件可以进行实物位置变化的演示，从而实现了对圆周运动的物体的加速度的定性演示，进而更好的帮助理解圆周运动的物体的加速度。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种圆周运动演示仪，其特征在于，包括圆周运动装置、运动驱动装置和控制装置，其中，

所述圆周运动装置包括圆盘、加速度测试组件和加速度演示组件，所述圆盘上开设有转轴孔和若干个安装孔，所述转轴孔位于所述圆盘的中心，所述加速度测试组件和所述加速度演示组件分别可拆卸连接于所述圆盘的任一安装孔中，所述运动驱动装置连接于所述圆盘的转轴孔、并用于带动所述圆盘旋转，所述控制装置与所述加速度测试组件和所述运动驱动装置电连接；

所述加速度测试组件和所述加速度演示组件均可跟随所述圆盘旋转，所述加速度测试组件用于采集所述加速度测试组件在跟随所述圆盘旋转时的切向加速度信号和法向加速度信号；所述加速度演示组件用于演示所述加速度演示组件在跟随所述圆盘旋转时的切向加速度和法向加速度；所述控制装置用于驱动所述运动驱动装置动作，以及接收所述切向加速度信号和法向加速度信号后显示切向加速度数据和法向加速度数据。

2.根据权利要求1所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述加速度测试组件包括第一基板、六轴陀螺仪芯片和无线收发芯片，所述第一基板具有第一固定轴，所述第一固定轴可拆卸连接于所述圆盘的任一安装孔中，所述六轴陀螺仪芯片和所述无线收发芯片均设置在所述第一基板上，所述六轴陀螺仪芯片连接所述无线收发芯片，所述无线收发芯片连接所述控制装置。

3.根据权利要求2所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述加速度测试组件还包括电源、电源开关和状态指示灯，所述电源与所述六轴陀螺仪芯片、所述无线收发芯片、所述电源开关和所述状态指示灯电连接。

4.根据权利要求1所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述加速度演示组件包括第二基板、演示球、第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧，所述第二基板具有第二固定轴，所述第二固定轴可拆卸连接于所述圆盘的任一安装孔中，所述第一弹簧的一端、第二弹簧的一端、第三弹簧的一端和第四弹簧的一端均固定于所述第二基板上，所述第一弹簧的另一端、第二弹簧的另一端、第三弹簧的另一端和第四弹簧的另一端均固定于所述演示球上，当无外力驱使时，所述演示球位于所述第二基板的中心，所述第一弹簧和所述第三弹簧相对于所述演示球对称，所述第二弹簧和所述第四弹簧相对于所述演示球对称。

5.根据权利要求4所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧均固定连接有一弹簧位置指针。

6.根据权利要求4所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述第二基板上设置有若干条分别用于标识第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧的位置和状态变化的标示线。

7.根据权利要求2所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述运动驱动装置包括底座、支撑组件和步进电机，所述支撑组件固定于所述底座上，所述步进电机固定于所述支撑组件上，所述步进电机的输出轴连接于所述圆盘的转轴孔并用于带动所述圆盘旋转，所述步进电机与所述控制装置电连接。

8.根据权利要求7所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述支撑组件包括支撑杆、连接杆和连接螺栓，所述支撑杆固定于所述底座上，所述连接杆上开设有至少一个限位孔，所述连接杆与所述步进电机固定连接，所述连接螺栓依次穿过所述限位孔和所述支撑杆、将所述连接杆与所述支撑杆固定。

9.根据权利要求7所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述控制装置包括控制箱、信号处理芯片、电机驱动芯片和显示屏，所述信号处理芯片和信号处理芯片均设置于所述控制箱的内部，所述信号处理芯片与所述无线收发芯片以及所述电机驱动芯片电连接，所述电机驱动芯片还连接所述步进电机，所述控制箱具有若干个功能按键，所述显示屏嵌设在所述控制箱上，所述功能按键与所述显示屏均连接所述信号处理芯片。

10.根据权利要求1所述的圆周运动演示仪，其特征在于，所述圆盘上具有若干条沿圆盘的圆周设置的同心圆标线，各个所述安装孔均匀分布在每个同心圆标线上。

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