專利名稱：一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器領(lǐng)域，特別涉及到一種采用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，所謂CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件。
背景技術(shù)：
物理學(xué)是研究物質(zhì)世界運(yùn)動規(guī)律、相互作用、基本結(jié)構(gòu)的自然科學(xué)，是人類文明、技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)，物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精準(zhǔn)科學(xué)，所有物理學(xué)的概念、規(guī)律及公式等都以客觀實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，所有的物理理論都必須經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，例如楊振寧與李政道提出了宇稱不守恒理論，吳健雄博士用一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以后才真正被承認(rèn)，楊振寧與李政道因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎，由此可見物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的地位是多么重要。
機(jī)械運(yùn)動是物理學(xué)的基礎(chǔ)部分，機(jī)械運(yùn)動中的運(yùn)動學(xué)定律及牛頓定律是機(jī)械運(yùn)動的基礎(chǔ)，這些定律均可以通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，事實(shí)上這些定律的發(fā)現(xiàn)也是在大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲取的，因此要學(xué)好物理這門課程，實(shí)驗(yàn)是必不可少的重要環(huán)節(jié)，它能激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)他們的動手能力，邏輯思維能力，數(shù)據(jù)處理能力，創(chuàng)新能力。但很遺憾，目前的這類實(shí)驗(yàn)器材還停留在比較原始的階段，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是如何建立所謂零阻力的直線運(yùn)動，二是如何測量運(yùn)動物體在不同時(shí)間點(diǎn)的位置。對第一個(gè)問題目前的解決方案是使用氣墊導(dǎo)軌，氣墊導(dǎo)軌上物體的運(yùn)動雖然沒有滑動摩擦力，但運(yùn)動物體是特殊的滑塊，不能太重，否則浮動不起來，而不重的物體也難免會有空氣阻力，同時(shí)氣墊導(dǎo)軌需要有壓力的氣源，而氣源是一種消耗品，很難讓同學(xué)們在其上反復(fù)實(shí)驗(yàn)，還有氣墊導(dǎo)軌需要精心保養(yǎng)，仔細(xì)調(diào)試，這使得讓同學(xué)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)成為一件奢侈的事，實(shí)際上這個(gè)問題是一個(gè)偽問題，因?yàn)槟壳暗姆椒ɑ蚱鞑臒o法測量出摩擦力或空氣阻力，才會去追求所謂零阻力的導(dǎo)軌，如果解決了測量摩擦力或空氣阻力的問題，則采用一般的導(dǎo)軌就可以了，例如自由落體試驗(yàn)根本就不需要導(dǎo)軌。對第二個(gè)問題目前主要有三種解決方案，即使用光電門，使用位移傳感器，使用多次曝光。一個(gè)光電門只能測試某個(gè)位置某一時(shí)間段內(nèi)的平均速度，一般一根導(dǎo)軌上也只能使用幾個(gè)光電門，因此光電門無法描繪出速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，無法測量出加速度，更無法測量變速運(yùn)動如單擺的速度，物體碰撞后速度的變化規(guī)律等。采用位移傳感器測量位移的方法大多采用接觸式測量，即必須在運(yùn)動物體上安放如反光鏡，超聲接收器或發(fā)射器，微波接收器或發(fā)射器等器件，這種要求限制了物體的運(yùn)動姿態(tài)甚至?xí)淖兾矬w的運(yùn)動規(guī)律，因此得到的結(jié)果不可能是理想情況，例如采用這種方式就無法測量自由落體的物體，因?yàn)樵谖矬w下落過程中物體本身可能有自轉(zhuǎn)運(yùn)動，你無法保證物體上的接收器能正確接收到發(fā)射器發(fā)出來信息，對擺動的物體也是同樣的原因無法進(jìn)行測量。至于使用多次曝光方法，更是一種不值得提倡的方法，首先你不可能獲得非常密集的大量的照片，例如I. 5米高度的自由落體僅持續(xù)O. 5秒，你獲得的幾張照片根本無法獲知物體下落時(shí)的整體情況，其次你還需要在照片上人工測量物體的位置，而這種測量誤差對最終的結(jié)果是致命的，甚至?xí)贸隽钊颂湫苑堑慕Y(jié)論。利用這種粗糙的只具有想象力的器材去進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)是很難會吸引一個(gè)好學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐瑢W(xué)，獲得正確的結(jié)論，更不要說培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、理性、科學(xué)的研究精神了。正因?yàn)檫@些不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材及方法的種種缺陷，事實(shí)上目前很多機(jī)械運(yùn)動的物理實(shí)驗(yàn)還停留在伽利略時(shí)代，即用眼睛看，用秒表計(jì)時(shí)的原始時(shí)代，例如單擺測量重力加速度的實(shí)驗(yàn)就是記錄擺多少次用了多長時(shí)間來進(jìn)行的，這種實(shí)驗(yàn)雖然簡單易做但很顯然無法保證測量精度，關(guān)鍵是這種實(shí)驗(yàn)無法描繪出單擺的位移曲線是正弦曲線即單擺在小角度時(shí)進(jìn)行著周期性的簡諧運(yùn)動這個(gè)物理本質(zhì)，不能描繪物理本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)能起多大作用呢？而在直線運(yùn)動中你不能測量加速度，也就無法驗(yàn)證牛頓運(yùn)動定律，更無法描繪摩擦力的大小、空氣阻力的大小及對物體下落的影響，實(shí)際上研究摩擦力、空氣阻力也是物理研究中的必不可少的內(nèi)容，能使學(xué)生對運(yùn)動的本質(zhì)有著更為深刻的認(rèn)識。
發(fā)明者多年從事利用線陳CCD設(shè)計(jì)制造非接觸光電測試系統(tǒng)，同時(shí)與多位中學(xué)及大學(xué)物理老師保持著長年的友誼，在與他們的交談中，逐步了解到了目前機(jī)械運(yùn)動物理實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備的弊端，從而萌發(fā)了利用線陳CCD設(shè)計(jì)一套非接觸光電測試系統(tǒng)來代替目前的設(shè)備，經(jīng)一年多的潛心研究及無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，提出了本發(fā)明方法，并以此方法為理論設(shè)計(jì)制作了一套已經(jīng)在實(shí)際使用的測試系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
I、提出了測量位移、速度、加速度的要求，具體是①探測器不能接觸被測物體，以免影響物體的運(yùn)動姿態(tài)；②不能限制被測物體的形狀、大小、重量、顏色等外觀特性；③要具有一定的測量精度，以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能充分證明物理定律；2、提出了一種利用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法，具體是采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光線，當(dāng)物體在靠近線光源位置沿著線光源方向作-維運(yùn)動或近似一維運(yùn)動時(shí)，將會擋住光線，接收CCD輸出信號的計(jì)算機(jī)能在納秒級別的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出被擋光線的位置即物體的位移，在物體的運(yùn)動周期內(nèi)，以幾千到上萬赫茲的采樣頻率計(jì)算出物體的位移及時(shí)間，對采集到的大量的位移及時(shí)間數(shù)據(jù)，采用最小二乘曲線擬合的方法計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的速度，兩次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的加速度，同時(shí)結(jié)合物體的質(zhì)量還可精確地計(jì)算出一系列與運(yùn)動相關(guān)的物理量如動量、動能、勢能、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。3、根據(jù)第2項(xiàng)所述的方法，設(shè)計(jì)制作了一套系統(tǒng)，該套系統(tǒng)具體內(nèi)容如下①設(shè)計(jì)制作了由高亮度LED拼合而成的線光源，長度可根據(jù)測試要求而定，對一般的物理實(shí)驗(yàn)可在I. 5米到2米左右；②設(shè)計(jì)制作了一種低成本免維護(hù)零耗材的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌由兩根平行放置的距離可調(diào)的工業(yè)鋁型材組成，導(dǎo)軌分直線型及曲線型，可以適合不同要求的物理試驗(yàn)科目，導(dǎo)軌置于線光源上方10-30毫米處，中間空能透光，試驗(yàn)球在導(dǎo)軌上滾動，單擺試驗(yàn)中試驗(yàn)球則被限制在導(dǎo)軌中間的空位處，使得擺球作垂直平面內(nèi)的擺動而不做旋擺，自由落體試驗(yàn)可不用導(dǎo)軌；③對大量的不同材質(zhì)、不同大小的試驗(yàn)球進(jìn)行了試驗(yàn)，最后確定了健身鐵球、健身石球、乒乓球、高爾夫球、網(wǎng)球等幾種完全可用且低成本、易采購的試驗(yàn)球。
④設(shè)計(jì)制作了支架系統(tǒng)及角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在支架上安裝線陳CCD相機(jī)及線光源、導(dǎo)軌，光學(xué)成像鏡頭安裝在(XD相機(jī)上，(XD相機(jī)位于線光源中垂線上方或前方一定距離處，通過角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)整角度及調(diào)節(jié)鏡頭的光圈及焦距，將線光源準(zhǔn)確地成像在線陳CCD相機(jī)的感光單元上；⑤設(shè)計(jì)制作了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，它們是在采用WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)的，對采集到的大量數(shù)據(jù)采用最小二乘曲線擬合的方法計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導(dǎo)求出速度隨時(shí)間變化的函數(shù)，對該函數(shù)兩次求導(dǎo)求出加速度隨時(shí)間變化的函數(shù)，結(jié)合物體的質(zhì)量，還可計(jì)算出其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。軟件系統(tǒng)能以圖、表兩種形式顯示測量結(jié)果，能將測量結(jié)果以報(bào)表形式打印輸出或拷貝成文件，讓同學(xué)們能充分體會到自己動手做實(shí)驗(yàn)并且獲得與理論一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的快樂感、滿足感、好奇感、探究感，正是這種感覺推動了人類文明的前進(jìn)。


圖I是本發(fā)明系統(tǒng)組成及直線運(yùn)動試驗(yàn)示意圖。圖2是本發(fā)明自由落體運(yùn)動試驗(yàn)示意圖。圖3是本發(fā)明單擺運(yùn)動試驗(yàn)示意圖。圖4是本發(fā)明動量守恒定律試驗(yàn)示意圖。圖5是本發(fā)明機(jī)械能守恒定律試驗(yàn)示意圖。圖6是本發(fā)明計(jì)算機(jī)處理軟件主界面。圖7是本發(fā)明一種近似勻速直線運(yùn)動的試驗(yàn)結(jié)果。圖8是本發(fā)明自由落體運(yùn)動試驗(yàn)結(jié)果。圖9是本發(fā)明單擺運(yùn)動正在采樣并實(shí)時(shí)顯示的位移散點(diǎn)圖。圖10是本發(fā)明垂直試驗(yàn)支架系統(tǒng)及角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖。圖11是本發(fā)明水平試驗(yàn)支架系統(tǒng)及角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖。具體實(shí)施方法I、如圖I所不,本發(fā)明包括線光源系統(tǒng)101,導(dǎo)軌系統(tǒng)102,試驗(yàn)球系統(tǒng)103,光學(xué)成像系統(tǒng)104，CXD光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)105，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)106，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)107。2、線光源系統(tǒng)101采用高亮度的LED拼合而成，LED焊接在PCB板上，每塊PCB板長度500mm，寬度25mm，排列2排LED，每排84顆，使用3套PCB可做成長度1500mm的線光源，可以根據(jù)實(shí)際需求加長，使用光擴(kuò)散透明板使光線發(fā)光均勻，PCB板及光擴(kuò)散板均安裝在專門拉伸的鋁支架內(nèi)，使用恒流電源供電。3、導(dǎo)軌系統(tǒng)102用兩根工業(yè)鋁型材平行放置而成，中間的距離可以調(diào)節(jié)，中間的空間可以讓光線無阻礙地透過，距離視試驗(yàn)球的直徑而定，一般比試驗(yàn)球直徑小20%，以便試驗(yàn)球在其上滾動，當(dāng)試驗(yàn)球有一定質(zhì)量及速度時(shí)，滾動幾乎是無摩擦滾動，導(dǎo)軌可以調(diào)節(jié)水平度，當(dāng)水平放置時(shí)，滾動是勻速運(yùn)動，當(dāng)調(diào)節(jié)一定角度時(shí)，滾動是勻加速或勻減速運(yùn)動。4、如圖2所示，當(dāng)進(jìn)行自由落體運(yùn)動試驗(yàn)時(shí)，將線光源豎直擺放，這時(shí)不需要導(dǎo)軌，也可以使用導(dǎo)軌，但試驗(yàn)球不接觸導(dǎo)軌，導(dǎo)軌只起起保護(hù)線光源的作用；5、如圖3所示，當(dāng)進(jìn)行單擺或碰撞試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)軌的距離要調(diào)節(jié)到大于試驗(yàn)球的直徑，這時(shí)的導(dǎo)軌起限制試驗(yàn)球在平行線光源的垂直平面內(nèi)進(jìn)行擺動的作用，剛開始擺動時(shí)，導(dǎo)軌的限制會影響擺動的速度，但經(jīng)過幾個(gè)周期后，擺動就平穩(wěn)了，這時(shí)才開始測試。6、如圖3所示，單擺的擺球使用鐵制的健身球，直徑50mm左右，鐵球上加工一個(gè)吊鉤，擺線301采用直徑小于Imm的高強(qiáng)無彈線，長度在I. 5米左右，固定擺線的細(xì)桿302垂直于主光軸，一端不超出主光軸5mm，直徑小于4_，太大會阻擋光線，4_的直徑雖然也會阻擋光線，但因?yàn)殡x鏡頭還有一定的距離，并且不超過主光軸，所以不影響測量效果。7、如圖4所示，如果采用兩個(gè)試驗(yàn)球在導(dǎo)軌上滾動，則可以進(jìn)行碰撞試驗(yàn)來驗(yàn)證動量守恒定律。8、如圖5所示，制作了一種非直線導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌兩邊傾斜，中間通過樣條曲線平滑相連，使得曲率處處連續(xù)，試驗(yàn)球在這種曲率連續(xù)的導(dǎo)軌上來回滾動，摩擦力可以忽略不計(jì)，這種導(dǎo)軌能驗(yàn)證勢能與動能的互相轉(zhuǎn)換及機(jī)械能守恒定律。9、進(jìn)行了大量的試驗(yàn)以尋找合適的試驗(yàn)球103，一般直徑50mm左右的大理石球或 鐵球做滾動試驗(yàn)及自由落體試驗(yàn)比較合適，滾動摩擦力及空氣阻力可以忽略不計(jì)，乒乓球做自由落體試驗(yàn)時(shí)，空氣阻力較大，用網(wǎng)球或高爾夫球則空氣阻力較小，因?yàn)楸景l(fā)明也能測量出阻力的大小，因此阻力不影響測試結(jié)果，這些球均是通用的低價(jià)值球，而且可以反復(fù)使用，均為適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)球。10、光學(xué)成像系統(tǒng)104，根據(jù)線光源的長度、CXD相機(jī)光敏單元尺寸、測量精度等因素綜合考慮，我們采用50mm焦距的通用相機(jī)鏡頭，可以手動調(diào)節(jié)光圈和成像距離，我們采用的CCD相機(jī)像高為36. 3mm,如果使用1500mm的線光源，則需要將相機(jī)置于光源上方或前方 2000mm 處。11、CXD光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)105，采用像素為7450的線陳(XD，所謂CXD是英文ChargeCoupled Device的縮寫，翻譯為中文的意思為電荷耦合器件，它的作用是將照射到C⑶上的光線按強(qiáng)度的大小轉(zhuǎn)換為電流的大小，即CCD是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件，我們采用7450像素的線陳CCD相機(jī)將線光源發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換為電信號，如果線光源為1500_，則位移的測量精度可達(dá)到O. 2_，這對物理實(shí)驗(yàn)來說有足夠高的精度，如果需要更高的測量精度，則可以采用更高像素的CCD相機(jī)或多臺相機(jī)串聯(lián)測量。12、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)106，采用高速數(shù)據(jù)采集卡，可以在幾十個(gè)納秒內(nèi)將幾千個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。13、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)107，采用使用WINDOWS操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)，高速數(shù)據(jù)采集卡插在計(jì)算機(jī)內(nèi)，數(shù)據(jù)處理軟件在其上運(yùn)行，可以外接輸出設(shè)備如打印機(jī)以便形成紙質(zhì)的試驗(yàn)報(bào)告。14、如圖6所示，數(shù)據(jù)處理軟件主界面，該界面顯示的是一個(gè)單擺運(yùn)動試驗(yàn)，軟件是專門編制的專業(yè)軟件，具有數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、打印的功能，數(shù)據(jù)顯示可以圖、表兩種形式顯示測量結(jié)果，能將測量結(jié)果以報(bào)表形式打印輸出或拷貝成文件。軟件還具有數(shù)據(jù)分析功能，如最小二乘曲線擬合功能，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，我們主要編制了擬合直線、擬合拋物線、擬合正弦曲線的三種數(shù)值計(jì)算方法，為了求取速度和加速度，我們還開發(fā)了對曲線進(jìn)行一次求導(dǎo)及兩次求導(dǎo)的計(jì)算方法，其他的物理量如動量、動能、勢能、周期、頻率等均可自動計(jì)算，也可由同學(xué)根據(jù)原始數(shù)據(jù)手工計(jì)算以加深理解。15、如圖7所示,一個(gè)直徑50mm的石球在直線導(dǎo)軌上滾動的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果顯示該運(yùn)動接近于勻速直線運(yùn)動，圖中顯示了三條曲線，分別是位移與時(shí)間曲線701，速度與時(shí)間曲線702，加速度與時(shí)間曲線703 ；16、如圖8所示，自由落體運(yùn)動的測試結(jié)果，圖中顯示了三條曲線，分別是位移與時(shí)間曲線801，速度與時(shí)間曲線802，加速度與時(shí)間曲線803，本實(shí)驗(yàn)采用的試驗(yàn)球是鐵球，測得的重力加速度為9. 84，可見空氣阻力幾乎可以忽略不計(jì)，當(dāng)用乒乓球做試驗(yàn)球時(shí)，測得的重力加速度一般為8. 27左右，當(dāng)用網(wǎng)球做試驗(yàn)球時(shí)，測得的重力加速度一般為9. 55左右，結(jié)合試驗(yàn)球的質(zhì)量及真空中的重力加速度，可以很方便地求出空氣阻力的大??；17、如圖9所示，單擺運(yùn)動試驗(yàn)時(shí)的實(shí)時(shí)顯示畫面，其中901為模擬試驗(yàn)球圖像，902為實(shí)時(shí)顯示的位移-時(shí)間散點(diǎn)圖，903為實(shí)時(shí)顯示的位移及時(shí)間數(shù)據(jù)，單擺運(yùn)動試驗(yàn)的二種曲線可參考圖6 ；18、如圖10所示，我們設(shè)計(jì)并制作了一種垂直支架系統(tǒng)及角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于除自由落體運(yùn)動以外的所有物理試驗(yàn)，其中調(diào)節(jié)螺絲1001調(diào)節(jié)導(dǎo)軌傾斜度，調(diào)節(jié)螺絲 1002調(diào)節(jié)相機(jī)左右傾斜度，調(diào)節(jié)螺絲1003調(diào)節(jié)相機(jī)前后傾斜度。19、如圖11所示，我們設(shè)計(jì)并制作了一種水平支架系統(tǒng)及角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于自由落體運(yùn)動試驗(yàn)，除相應(yīng)的調(diào)節(jié)螺絲外，還設(shè)計(jì)制作了一個(gè)試驗(yàn)球下落導(dǎo)向器1101，它實(shí)際上是一個(gè)圓筒，內(nèi)徑可調(diào)并略大于試驗(yàn)球直徑，以便試驗(yàn)球準(zhǔn)確地在線光源前垂直下落。
權(quán)利要求
1.一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于它采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光線，所謂CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)物體在靠近線光源位置沿著線光源方向作一維運(yùn)動或近似一維運(yùn)動時(shí)，將會擋住光線，接收CCD輸出信號的計(jì)算機(jī)能計(jì)算出被擋光線的位置即物體的位移，在物體的運(yùn)動周期內(nèi)，可以以幾千到上萬赫茲的采樣頻率計(jì)算出物體的位移及時(shí)間，對這些數(shù)據(jù)采用最小二乘曲線擬合的方法可計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù),對該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的速度,兩次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的加速度,結(jié)合物體的質(zhì)量還可方便地計(jì)算其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于對作一維運(yùn)動或近似一維運(yùn)動的物體的位移探測器采用線陳CCD光電探測器進(jìn)行探測，這種探測是一種非接觸探測，不會干擾物體的運(yùn)動姿態(tài)及速度，對物體的外形、材料等也無特殊要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于CCD相機(jī)的光源采用線光源的方式，線光源照射整個(gè)物體運(yùn)動的軌跡，隨著物體的運(yùn)動，物體就擋住不同位置的光線，從而CCD相機(jī)能探測到物體的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于采用高速數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)對CCD的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而能在納秒級別的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)算物體的位移-時(shí)間數(shù)據(jù)對，對大量的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘數(shù)據(jù)擬合，從而能獲知物體位移-時(shí)間函數(shù)，通過對物體位移-時(shí)間函數(shù)一次求導(dǎo)，求出物體速度-時(shí)間函數(shù)，從而求出物體運(yùn)動的速度，對物體位移-時(shí)間函數(shù)二次求導(dǎo)，求出物體加速度-時(shí)間函數(shù)，從而求出物體運(yùn)動的加速度，結(jié)合物體的質(zhì)量還可方便地計(jì)算其他物理量如動量、動能、單擺頻率、重力加速度、擺動周期、振幅、位相、摩擦力、空氣阻力等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于采用普通的健身鐵球、健身石球、乒乓球、網(wǎng)球、高爾夫球作為試驗(yàn)球，就能進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在靠近線光源上方與線光源平行放置兩根平行線性導(dǎo)軌，導(dǎo)軌中間空，能透光，試驗(yàn)球在導(dǎo)軌上方滾動，導(dǎo)軌可以調(diào)節(jié)水平度，由于導(dǎo)軌及試驗(yàn)球均足夠光滑，所以摩擦力可忽略不計(jì)，當(dāng)導(dǎo)軌水平放置時(shí)，滾動是勻速運(yùn)動，當(dāng)導(dǎo)軌調(diào)節(jié)一定角度時(shí)，滾動是勻加速或勻減速運(yùn)動，通過這種裝置可以測量直線運(yùn)動，當(dāng)使用兩個(gè)試驗(yàn)球時(shí)可驗(yàn)證動量守恒定律。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于線光源垂直放置，線光源前方上端放置一個(gè)圓筒型導(dǎo)向器，導(dǎo)向器內(nèi)徑可調(diào)并略大于試驗(yàn)球直徑，試驗(yàn)球從這個(gè)導(dǎo)向器中沿著線光源方向自由下落，可以進(jìn)行自由落體運(yùn)動試驗(yàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在CCD相機(jī)光軸下方垂直光軸處固定一細(xì)桿,細(xì)桿一端不超出光軸，細(xì)桿上固定細(xì)線，細(xì)線下端系一個(gè)試驗(yàn)球，試驗(yàn)球被限制在兩根平行的導(dǎo)軌之間，平行導(dǎo)軌在線光源上方與線光源平行，當(dāng)試驗(yàn)球在平行導(dǎo)軌之間小角度擺動時(shí)可以進(jìn)行單擺運(yùn)動試驗(yàn)，由于細(xì)桿和細(xì)線足夠細(xì)，雖然也能擋住一部分光線，但這部分光線僅占總光線的1%，所以對測試結(jié)果沒有影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)，其特征在于在靠近線光源上方與線光源平行放置兩根平行非線性導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌兩端高中間低，中間通過樣條曲線平滑相連，使得曲率處處連續(xù)，導(dǎo)軌與試驗(yàn)球足夠光滑，所以試驗(yàn)球在這種導(dǎo)軌上來回?zé)o摩擦滾動，通過這種裝置可驗(yàn)證勢能與動能的互相轉(zhuǎn)換及機(jī)械能守恒定律。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用線陳CCD測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)。CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器，本發(fā)明采用線陳CCD探測線光源發(fā)出的光，當(dāng)物體在靠近光源位置沿著光源方向作運(yùn)動時(shí)，將會擋住光，接收CCD信號的計(jì)算機(jī)能實(shí)時(shí)獲取某一時(shí)刻被擋光線位置即物體的位移數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)采用曲線擬合可獲取位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的速度，兩次求導(dǎo)可求出物體運(yùn)動的加速度，結(jié)合物體的質(zhì)量還可方便地計(jì)算其他物理量如動量、動能、重力加速度、頻率、周期、振幅、位相、摩擦力、阻力等。本發(fā)明方法及系統(tǒng)主要應(yīng)用于物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種真正體現(xiàn)物理本質(zhì)的實(shí)驗(yàn)器材。
文檔編號G09B23/10GK102810276SQ20121014415
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者許衛(wèi)剛 申請人:許衛(wèi)剛