一种平抛运动实验装置及测量方法

1.本发明属于高中物理实验装置和方法，涉及一种平抛运动实验装置及测量方法。


背景技术：

2.现有高中物理实验装置过于简单，如图5所示。只能通过几个预定的高度进行小球位置确定，抛物轨迹只能通过手绘完成且误差较大，初速度、末速度、平抛高度、运动时间等一系列物理量均需手工测量计算，精确度低，仅能定性反映物理原理。原教学用具只能使用质量较大的实心钢球或带磁芯钢球，无法显示空气阻力对不同材料小球平抛运动的影响；另外，个别实验装置还需要使用复写纸，纸张等其他设备，材料不可重复利用，造成资源浪费。
3.因此，需要设计一种可以有效解决上述问题的平抛运动实验装置。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种平抛运动实验装置及测量方法，可以方便的进行平抛运动实验，并且可以清晰准确显示物体运动轨迹和相关物理量。
5.技术方案一种平抛运动实验装置，其特征在于包括带凹槽倾斜轨道及小球1，轨道倾斜调节器2，集成有倾斜轨道倾斜度和水平仪的检测器3，带水平尺底座5，竖直滑轨6，点阵单元排布的小球检测及轨迹显示板7，集成有微处理器mcu的lcd显示屏8，光敏半导体器件9和开关10；点阵式排布有光敏半导体器件的小球检测板7置于带水平尺底座5上，其一侧设有竖直滑轨6，竖直滑轨6上设有带凹槽倾斜轨道及小球1，带凹槽倾斜轨道及小球1下侧设有集成有倾斜轨道倾斜度和水平仪的检测器3和轨道倾斜调节器2；所述点阵式排布有光敏半导体器件的小球检测板7上由多列并排的检测器形成检测点阵，检测点阵与集成有mcu的lcd显示屏8连接，并与带水平尺底座5上开关10电联接。
6.所述带水平尺底座5下的支撑腿上设有底座水平调节器4。
7.所述带水平尺底座5上还设有复位器11，将点亮的发光半导体熄灭，将微处理器中的所有数据删除，将lcd显示屏清空。
8.所述点阵单元由一个发光半导体、一个光敏半导体器件和一个保持器串联而成，每一列检测器有一个输出端，所有列的输出端均接入微处理器，微处理器使用数据线与lcd显示屏连接，将相关数据传输至显示屏显示。
9.所述发光半导体采用led灯泡。
10.一种利用所述平抛运动实验装置进行初速度测量的方法，其特征在于：当小球在轨道上匀速运动时，若同一水平高度上同时有一个位点电平降低，另一点电平升高，则取最长距离除以时间间隔即为小球的初速度；小球开始使下一行光敏半导体器件电平改变时，即认定小球已开始平抛运动，并将上一瞬间检测的速度认定为平抛运动初速
度，并传至lcd显示屏显示。
11.一种利用所述平抛运动实验装置进行小球末速度测量的方法，其特征在于：当最下一行任意光敏传感器电平升高时即认为小球已落地。记此时刻为，前一时刻为，则在该时间段t
3-t2中，若小球在水平方向通过的距离，那么水平速度为；若小球在竖直方向通过的距离，那么竖直速度为。因此，小球的末速度可以表示为，并在lcd显示屏上进行显示。
12.一种利用所述平抛运动实验装置进行小球高度测量的方法，其特征在于：实验开始前初始设定检测板最左下角的光敏半导体器件坐标为，且沿水平方向建立轴，竖直方向建立轴。检测小球初速度的光敏半导体器件所在行的纵坐标值即为小球的平抛高度。
13.一种利用所述平抛运动实验装置进行小球运动时间的测量方法，其特征在于：将小球开始做平抛运动时的时刻记为，小球落地时刻记为，则即为小球的平抛运动时间。
14.有益效果本发明提出的一种平抛运动实验装置及测量方法点阵式排布有光敏半导体器件的小球检测板7置于带水平尺底座5上，其一侧设有竖直滑轨6，竖直滑轨6上设有带凹槽倾斜轨道及小球1，带凹槽倾斜轨道及小球1下侧设有集成有倾斜轨道倾斜度和水平仪的检测器3和轨道倾斜调节器2；所述点阵式排布有光敏半导体器件的小球检测板7上由多列并排的检测器形成检测点阵，检测点阵与集成有mcu的lcd显示屏8连接，并与带水平尺底座5上开关10电联接。该装置可以自动显示小球的平抛高度，初速度，运动轨迹以及运动时间。平抛运动轨迹显示更加清楚直观。该测量方法包括：速度的合成与测量。
15.有益效果，该装置可以精确显示出小球做平抛运动时的运动轨迹，可以自动计算出小球做平抛运动的初速度、末速度、运动时间、平抛高度。可以解决无法自动显示平抛轨迹、精确度不足、相关物理量存在系统误差、一次性资源浪费等问题。
附图说明
16.图1：本发明的实验装置示意图。
17.图2：检测板以及光敏半导体器件结构示意图。
18.图3：倾斜滑轨示意图。
19.图4：测板上任意一个光敏半导体器件检测装置的原理图。
20.图5：现有实验装置示意图。
21.图6：点阵单元示意图。
具体实施方式
22.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。本实施例中光敏半导体器件以光敏二极管为例、点阵式检测板以1024*1024点阵式检测板为例。然而，本发明并不受限于以下事例，可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
23.同类标识代表同类或同一个部件。
24.如图1所示，本装置包括：带凹槽倾斜轨道及小球1，轨道倾斜调节器2，集成有倾斜轨道倾斜度和水平仪的检测器3，底座水平调节器4，带水平尺底座5，竖直滑轨6，点阵式排布有光敏半导体器件的小球检测板7，集成有mcu的lcd显示屏8，光敏半导体器件9，开关10，复位器11，供电线路12。
25.将底座放置于实验台上，借助于气泡调平仪和调平螺栓，将仪器底座调至水平。
26.将高度传感器固定于轨道水平旁。
27.1024*1024点阵式排布光敏半导体器件的检测板垂直固定于底座上。
28.光敏半导体器件用于以改变电平的高低以体现小球的位置；滑道固定于与底座垂直固定的垂直杆上，其旁安装有高度检测器，水平仪和倾斜轨道倾斜度检测仪。
29.高度检测器用于检测平抛轨道末端距仪器底座的高度。
30.倾斜轨道倾斜度检测仪用于检测倾斜轨道倾斜程度并以数据的形式显示。
31.集成有微处理器mcu的lcd显示屏用于发出接收信号，相关数据处理以及显示平抛运动相关物理量。
32.复位按钮用于使实验装置恢复至点亮的led灯泡熄灭、微处理器中无实验数据记录、lcd显示屏空白的状态。
33.实验方法：开启开关，按一下复位按钮，开始实验。
34.使用轨道倾斜调节器将轨道调至一定倾斜度并固定，释放小球。小球在检测板前做平抛运动，检测板上留下小球平抛运动轨迹。
35.其中，微处理器依次从检测板输入端输入高电平，当小球挡住光线时，小球所在列的输出端口输出低电平，其余输出高电平。
36.小球的速度测量为：设小球直径为，小球在时间段内通过倍直径的距离，则小球初速度为。设小球从至时间段在水平方向上通过个检测器，在竖直方向上通过个检测器，则小球的末速度为，当趋近于0时，检测所得末速度无限接近真实值。
37.微处理器mcu将小球平抛初速度、小球平抛末速度、平抛高度、运动时间传输至lcd显示屏显示。
38.完成试验后再次按一下复位按钮，使实验装置恢复至点亮的led灯泡熄灭、微处理器中无实验数据记录、lcd显示屏空白的状态。
39.结合这里展示的本发明的说明和实践。说明和实施例只是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。