專利名稱：多光感應(yīng)測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于教學(xué)實驗儀器，具體地說是一種用于測量物體運動過程時間的多光感應(yīng)測量儀。
為了達到上述目的，本實用新型采取了下述的技術(shù)解決方案該多光感應(yīng)測量儀包括測量架具、刻度尺、鐵質(zhì)落體重物、電磁鐵、電源、檢測頭V1-V1′～V3-V3′、數(shù)字計時器T1～T3，其特征在于，它還包括——一個時基電路IC1，它的輸出端V0與一個計數(shù)電路IC2的輸入端CP相連接，其輸出端Q1與一個電子開關(guān)V8的受控端b連接，V8′的控制端C與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的ask2′端連接，開關(guān)的ask1′端接共地端，開關(guān)的sak′端與所述計時器T1的主控門輸入端A1連接；——一個自鎖電路V9，跨接在IC2的輸出端Q2與IC1的強制復(fù)位端MR之間；——一個同軸雙聯(lián)開關(guān)SK3，一組跨接在電源B+與IC2的強制復(fù)位端R之間，另一組與平拋開關(guān)SK4串聯(lián)接在所述電磁鐵Y1與電源B+之間的回路內(nèi)；——所述檢測頭的第一路V1-V1′的輸出端與電子開關(guān)V1″的受控端b連接，V1″的控制端C分兩路，一路與所述計時器T1的主控門輸入端B1連接，另一路與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的bsk2′端連接，開關(guān)的bsk1′端接共地端，開關(guān)的bsk′端與所述計時器T2主控門輸入端A2連接；——所述檢測頭的第二路V2-V2′的輸出端與電子開關(guān)V2″的受控端b連接，V2″的控制端C分兩路，一路與所述計時器T2的主控門輸入端B2連接，另一路與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的csk2′端連接，開關(guān)的csk1′端接共地端，開關(guān)的csk′端與所述計時器T3的主控門輸入端A3連接；——所述檢測頭的第三路V3-V3′的輸出端與電子開關(guān)V3″的受控端b連接，V3″的控制端C與所述計時器T3的主控門輸入端B3連接。
根據(jù)測量需要，檢測電路的數(shù)目可以接續(xù)增加或相應(yīng)減少。
本實用新型的優(yōu)點是1、可以從物體由靜止開始運動瞬間同時進行計時測量，克服了現(xiàn)有教學(xué)儀器僅能測量物體通過某段距離的位移時間的缺陷，能滿足現(xiàn)代高中物理教學(xué)力學(xué)實驗要求。2、能夠進行連續(xù)測量，克服了現(xiàn)有教學(xué)儀器中多個計時器仍無法測量物體通過各段距離連續(xù)位移所用的時間，此外，還可對物體通過檢測頭的瞬時時間Δt進行測量，拓寬了使用范圍。3、測量準確、效果直觀、操作簡單、學(xué)生做實驗容易掌握、造價低。
圖2是

圖1中測量電路的內(nèi)部電路圖。
圖3是測量研究物體勻變速直線運動和牛頓第二定律的架具。
圖4是測量研究平拋運動的架具。
圖2是圖1中測量電路的內(nèi)部電路圖，主要由時基電路、計數(shù)電路、自鎖電路、開關(guān)電路、檢測電路和計時器組成。圖中，集成塊IC1(型號為555)及外圍元件電容C1、C2、電阻R11～R13構(gòu)成時基電路，以及穩(wěn)態(tài)多諧振蕩模式工作，輸出時基信號，V0是輸出端，MR是強制復(fù)位端(所謂強制復(fù)位，是指當MR端為低電平時，不管R、S兩端是什么狀態(tài)，輸出都為低電平，換句話說，只要MR端為低電位，輸出＝“0”)，R是閾值端，S是觸發(fā)端，Q是放電端，VDD是電源端，E是接地端。集成塊IC2(型號為4017)及外圍元件電容C3、電阻R7、R8構(gòu)成計數(shù)電路，用于輸出一個正脈沖計時信號；CP是輸入端，R是強制復(fù)位端，Q1是第1輸出端，用于輸出觸發(fā)信號，Q2是第2輸出端，用于提供反饋信號。R6、R9、R10是隔離電阻。半導(dǎo)體三極管V9跨接于IC2的Q2端與IC1的MR端之間構(gòu)成了自鎖定電路，當V9飽和導(dǎo)通時，MR端被鉗位于0.7V，V0即時基信號輸出，只有V9處于截止時，才允許V0有輸出。半導(dǎo)體三極管V8、V8′、電阻R4、R5組成起動瞬間電子開關(guān)電路，連接在IC2的輸出端Q1與計時器T1的主控門的輸入端A1之間，用于控制T1起始計時。檢測電路分三路第一路由光發(fā)射二極管V1、光電接收三極管V1′、開關(guān)三極管V1″構(gòu)成，用于同時控制T1的停止計時和T2的起始計時；第二路由V2、V2′、V2″構(gòu)成，用于同時控制T2的停止計時和T3的起始計時；第三路由V3、V3′、V3″構(gòu)成，用于控制T3的停止計時。R1～R3分別是V1～V3的限流電阻；V4～V7分別是T1～T3的隔離二極管；A和B分別是T1～T3各自的主控門輸入端，其內(nèi)部(指輸入端的電路)為“或門”電路，即“邏輯加法”關(guān)系，當A、B兩輸入端都為低電平時，輸出為低電平；當A、B兩輸入端均為高電平時，輸出為高電平；A、B兩輸入端只要有一個為高電平，輸出就為高電平，利用“或門”的這種“邏輯加法”關(guān)系，結(jié)合相關(guān)電路即可實現(xiàn)對落體的位移時間t、遮光瞬時時間Δt進行測量。SK′是測量轉(zhuǎn)換開關(guān)，一共有a、b、c三個，每個計時器的A門設(shè)置一個，用于當進行Δt測量時使A門接地，可先靠地鉗位于低電平上將A門封閉，這樣就可用B門測量遮光瞬時時間Δt。Y1是電磁鐵，用于將小鐵球即落體重物吸住在起始位置上，SK3是雙聯(lián)同軸的測量操作開關(guān)，SK4是作平拋實驗的測量操作開關(guān)。電路由B+6V供電。S1～S3是落體重物通過檢測頭的分段距離。
檢測電路的數(shù)目根據(jù)實驗項目要求可以接續(xù)增加，也可以相應(yīng)減少。
電路的工作過程(參見圖2)1、初始狀態(tài)上電瞬間，IC1的復(fù)位端MR處于高電位，IC2的復(fù)位端R充電為暫態(tài)高電位，這時有高頻時基信號從V0輸出送入CP端，IC2的輸出端按Q0、Q1、Q2的順序逐級輸出脈沖，當Q2端輸出脈沖時，觸發(fā)V9導(dǎo)通，使IC1的MR端高電位跳變?yōu)榈碗娢?，強制IC1停止輸出時基信號，這時IC2的輸出停留在Q2端子。
2、上電接通光控電路的電源閉合測量操作開關(guān)SK3、SK4、Y1得電將M1吸住。光發(fā)射二極管V1～V3均有電流流過而發(fā)光，照射到光電三極管V1′～V3′的光接收端，產(chǎn)生光信號電流，使V1″～V3″均處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。與此同時，IC2的復(fù)位端被接入高電位，復(fù)位清零后的IC2輸出停留在Q0接口；Q1為低電平，使V8截止，V8′獲得基極偏置電流而飽和導(dǎo)通，這樣，計時器T1～T3的所有輸入端均為低電平，處于等待計時狀態(tài)；Q2為低電平，使V9由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，IC1的MR端恢復(fù)高電位，IC1又有時基信號輸出，至此，測量準備全部就緒，整個電路處于待命狀態(tài)。
3、測量1)位移時間測量斷開SK3，Y1失電，M1開始下落，與此同時，IC2的Q1端輸出一個正向脈沖，使V8導(dǎo)通，V8′截止，A1端翻轉(zhuǎn)為高電平觸發(fā)T1開始計時，同時IC2的Q2端亦翻轉(zhuǎn)為高電平，使V9飽和導(dǎo)通，IC1的MR端被鉗位于低電平上，V0被鎖定無時基信號輸出，保證了IC2只輸出一個正向觸發(fā)脈沖。
當M1下落至擋住V1瞬間，V1′、V1″截止一次，同時觸發(fā)T1停止計時，T2開始計時；當M1下落至擋住V2瞬間，V2′、V2″截止一次，同時觸發(fā)T2停止計時和T3開始計時；當M1下落至擋住V3的瞬間，V3′、V3″截止一次，觸發(fā)T3停止計時，至此，整個測量過程結(jié)束，由計時器直接顯示出物體運動經(jīng)過各段距離的位移時間t1、t2、t3…。
2)遮光瞬時時間測量分別將測量轉(zhuǎn)換開關(guān)sak′、bsk′、csk′撥在sak1′、bsk1′、csk1′位置，使T1、T2、T3的A1、A2、A3端接共地端(零電位)，只用B1、B2、B3即可分別對通過一、二、三檢測頭的物體的瞬時遮光時間Δt1、Δt2、Δt3…進行測量，并分別由T1、T2和T3的顯示器直接顯示出來。
上述的工作過程可以看到第一、位移測量是從物體由靜止開始運動瞬間開始的，測量是可以連續(xù)進行的；第二、可以分別測出落體通過檢測頭時的瞬時遮光時間。這樣，在距離已知、物體運動位移時間已知、落體運動瞬時時間已知的條件下，利用物理學(xué)中力學(xué)的數(shù)學(xué)關(guān)系式就可推導(dǎo)出物體運動時的各種關(guān)系。
下列實施例是利用圖1裝置測量自由落體運動的實施例例1研究自由落體運動的位移距離與時間的關(guān)系S＝(1/2)gt2。式中S為位移的距離，t為時間，g為重力加速度。
實驗步驟關(guān)閉T2、T3，只用計時器T1測量t.T1的功能選擇開關(guān)SK撥在SK2檔位，測量轉(zhuǎn)換開關(guān)ask′撥在ask2′檔位，調(diào)節(jié)好位移距離S(可從刻度尺上讀數(shù))，選定數(shù)據(jù)后，即讓落體下落，這時計時器T1記下并顯示出落體通過S的時間t，改變S的數(shù)值，多次實驗，即可從數(shù)據(jù)中分析出S∝t2的關(guān)系，并用公式g＝2S/t2求重力加速度。
例2研究自由落體運動在各連續(xù)相等的時間t內(nèi)，位移之比為S1∶S2∶S3…＝1∶3∶5…的關(guān)系。
實驗步驟在架具上調(diào)節(jié)S1∶S2∶S3…＝1∶3∶5…。T1～T3的功能選擇開關(guān)SK全部撥在SK2檔位，測量轉(zhuǎn)換開關(guān)SK′全部撥至SK2′檔位，讓落體下落，這時計時器T1、T2、T3分別顯示出落體通過位移S1、S2、S3的時間t1、t2、t3，從顯示出的結(jié)果t1＝t2＝t3即可證實自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動，以及驗證自由落體運動在各段連續(xù)相等的時間t內(nèi)位移之比為S1∶S2∶S3…＝1∶3∶5…的關(guān)系，并利用公式g＝2S1/(t1)2求重力加速度。
例3研究自由落體運動通過各連續(xù)相等的位移所用時間之比為 的關(guān)系。
實驗步驟在架具上調(diào)節(jié)S1＝S2＝S3，T1～T3的功能選擇開關(guān)SK全部撥在SK2檔位，測量轉(zhuǎn)換開關(guān)SK′全部撥至SK2′檔位，然后讓落體自由下落，這時計時器T1、T2、T3分別是測量并顯示出落體通過位移S1、S2、S3的時間t1、t2、t3，從顯示結(jié)果 即t1∶t2∶t3＝1∶0.414∶0.328即可判斷自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動及驗證自由落體運動通過各段連續(xù)相等的位移所用時間之比為 的關(guān)系，并利用公式g＝2S1/(t1)2求重力加速度。
例4研究自由落體運動位移、速度關(guān)系V2＝2gs。式中V為落體的瞬時速度。
實驗步驟落體采用如右圖 所示的正方形方鐵片，尺寸為l＝10mm、h＝2mm，實驗時開關(guān)SK4處于閉合狀態(tài)，計時器T1～T3的功能選擇開關(guān)SK全部撥至SK1位置上，測量轉(zhuǎn)換開關(guān)SK′全部撥至SK1′檔位上，先按下SK3讓Y1吸住小鐵片，然后斷開SK3讓小鐵片自由下落，計時器T1、T2、T3即分別測量出落體下落時經(jīng)過檢測頭V1-V1′、V2-V2′、V3-V3′所在位置的瞬時時間Δt1、Δt2、Δt3，也就是小鐵片在這三個位置經(jīng)過位移ΔS＝l＝10mm時所用的時間，由于時間很短，所以可用小鐵片在這些時間內(nèi)的平均速度代替小鐵片經(jīng)過三個檢測頭V1-V1′、V2-V2′、V3-V3′的瞬時速度V1、V2、V3，三個位置對應(yīng)的位移分別為S1、S1+S2、S1+S2+S3，從而可分析出S∝V2的關(guān)系，進而判斷自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動，及驗證V2＝2gs的關(guān)系，并利用g＝V2/2S求出重力加速度。
例5研究自由落體運動中V＝gt的關(guān)系。
實驗步驟落體仍采用正方形小鐵片，開關(guān)SK4閉合，關(guān)閉計時器T3，計時器T1的功能選擇開關(guān)SK撥在SK2位置，測量轉(zhuǎn)換開關(guān)sak′相應(yīng)撥至ask2′位置，計時器T2的SK撥在SK1位置，相應(yīng)的bsk′撥在bsk1′位置，先閉合SK3讓Y1吸住小鐵片，然后斷開SK3讓小鐵片自由下落，并用手在檢測頭V1-V1′，V2-V2′之間接住小鐵片，這時計時器T1測量出小鐵片從靜止下落至檢測頭V1-V1′的時間t，計時器T2則測出小鐵片經(jīng)過檢測頭V1-V1′的瞬時時間Δt，則小鐵片下落至檢測頭V1-V1′的瞬時速度V＝ΔS/Δt＝l/Δt，多次測量即可分析出V∝t的關(guān)系，從而可判斷自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動，及驗證V＝gt的關(guān)系，并利用g＝V/t求重力加速度。
例6研究自由落體運動平均速度V＝V/2的關(guān)系。
實驗步驟與例5基本相同，只是從刻度尺上讀出位移S后，即可計算平均速度V＝S/t，然后就可分析出V＝V/2的關(guān)系，從而判斷自由落體運動是初速度為零的勻變速運動。
例7研究自由落體運動位移中點速度 的關(guān)系。
實驗步驟落體仍采用正方形小鐵片。事先在光具座上調(diào)節(jié)好S1＝S2＝S3，然后按例4的方法進行實驗，求出落體分別經(jīng)過三個檢測頭V1-V1′、V2-V2′、V3-V3′的速度V1、V2、V3后，對于V1、V2，初速為零，V1為位移中點速度VS/2，V2為末速度，即可驗證 的關(guān)系；對于V1、V2、V3，V1為初速度V0，V2為位移中點速度VS/2，V3為末速度V，通過計算即可驗證初速不為零時的位移中點速度 的關(guān)系，從而判斷出自由落體運動是初速度為零的勻變速直線運動。
例8驗證機械能守恒定律E2＝E1。
實驗步驟與例4相同，測量并計算出小鐵片分別經(jīng)過三個檢測頭V1-V1′、V2-V2′、V3-V3′的速度V1、V2、V3后，以第三個檢測頭所在的位置平面為零勢能面，則第一、第二個檢測頭的高度分別為h1＝S2+S3，h2＝S3，因此落體在三個檢測頭所處的位置機械能分別為E1＝(1/2)mV12+mg(S2+S3)，E2＝(1/2)mV22+mgS3，E3＝(1/2)mV32，即可驗證機械能守恒定律E3＝E2＝E1。式中m為落體的質(zhì)量。
圖3是研究物體做勻變速直線運動和牛頓第二定律的架具。圖中Y1是電磁鐵，M2是尾部帶鐵塊的滑塊?；瑝K上面有寬度為l′＝10mm的遮光片，N為氣墊導(dǎo)軌，P為滑輪，Q為砝碼盤，4是刻度尺，7為底座支架。
利用圖3的架具可按類似研究自由落體運動例1～例7的方法研究勻變速(加速)直線運動。
例9研究加速a與力F的關(guān)系。
實驗步驟先調(diào)節(jié)好氣墊導(dǎo)軌呈水平狀態(tài)，開關(guān)SK4處于閉合狀態(tài)，計時器的功能選擇開關(guān)SK均處于SK2擋位，相應(yīng)的SK′也全部撥在SK2′檔位，實驗時滿足m鉤碼＜＜M滑塊。在氣墊導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)S1∶S2∶S3＝1∶3∶5。先閉合SK3讓Y1吸住滑塊，然后讓滑塊從靜止開始運動這時計時器T1、T2、T3分別測量出滑塊經(jīng)過位移S1、S2、S3的時間t1、t2、t3，根據(jù)測量結(jié)果t1＝t2＝t3的關(guān)系即可確定滑塊所做的運動是初速度為零的勻變速運動，用公式a＝ΔS/T2計算出加速度a1(ΔS＝S3-S2＝S2-S1，T＝t1＝t2＝t3)并測量出m鉤碼記為m1，外力F1＝m1g，得到第一組數(shù)據(jù)a1、F1。改變m鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)實驗就得到第二、第三組…數(shù)據(jù)a2、F2、a3、F3…，然后作圖分析，可得出當M滑塊質(zhì)量保持不變時，其加速度與外力成正比關(guān)系，(即M一定時，a∝t)。
例10研究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系。
實驗步驟調(diào)節(jié)好氣墊導(dǎo)軌呈水平狀態(tài)，開關(guān)SK4處于閉合狀態(tài)，計時器功能選擇開關(guān)SK均撥在SK2檔位上，相應(yīng)的SK′也全部撥在SK2′位置上，實驗時滿足m鉤碼＜＜M滑塊。調(diào)節(jié)S1∶S2∶S3＝1∶3∶5，先閉合SK3讓Y1吸住滑塊，然后斷開SK3讓滑塊從靜止開始運動，這時計時器T1、T2、T3分別測量出滑塊經(jīng)過位移S1、S2、S3的時間t1、t2、t3，然后根據(jù)測量結(jié)果t1＝t2＝t3的關(guān)系即可確定滑塊的運動是初速度為零的勻變速直線運動，用公式a＝ΔS/T2計算出加速度a1，并測量出滑塊的質(zhì)量記為M1，得到第一組數(shù)據(jù)a1、M1，然后保持m鉤碼的質(zhì)量不變，即外力不變，改變滑塊的質(zhì)量，重復(fù)實驗就得到第二、第三組成…數(shù)據(jù)a2、M2、a3、M3，然后作圖分析，可得出在外力保持不變時，滑塊的加速度與其質(zhì)量成反比關(guān)系(F一定時，a∝1/M)。
圖4是研究平拋運動的架具。圖中，Y1是電磁鐵，M1是小鐵球，8是軌道，9是重垂線，10是帶坐標和刻度線的豎直木板，11是木板底座，12是調(diào)節(jié)鐵桿。
利用圖4所示的架具，可進行平拋運動的實驗。
例11證明平拋運動在豎直方向上是自由落體運動，水平方向上是勻速直線運動。
實驗步驟用J0201型數(shù)字計時器的檢測頭V0-V0′代替測量電路中的電子開關(guān)V8-V8′，接入計時器下的接口A1中，然后用重垂線調(diào)整好木板10處于豎直方向上，再把重垂線移到調(diào)節(jié)鐵桿12上調(diào)整好各檢測頭的位置，使小球拋出后能準確地遮擋各檢測頭的光線。開關(guān)SK3處于閉合狀態(tài)，計時器T1、T2、T3的功能選擇開關(guān)SK均撥在SK2位置上，相應(yīng)的SK′均撥在SK2′的位置上，先在笛卡爾坐標縱軸上取Y1∶Y2∶Y3＝1∶3∶5，先閉合平拋開關(guān)SK4讓電磁鐵y1吸住小鐵球，然后再斷開SK4讓小球拋出，這時儀器即能測出小球平拋運動在豎直方向上通過Y1、Y2、Y3的時間t1＝t2＝t3，再用公式a＝ΔS/T2(式中ΔS＝S3-S2＝S2-S1，T＝t1＝t2＝t3)求出a＝g，即說明其在豎直方向為自由落體運動。把檢測頭V1-V1′、V2-V2′、V3-V3′轉(zhuǎn)過90°變成豎直放置，然后通過開關(guān)SK4進行實驗，用儀器測出小球平拋運動在水平方向上通過位移X1、X2、X3(在坐標上讀取)的時間t1′、t2′、t3′用X1/t1′＝X2/t2′＝X3/t3′的關(guān)系即可說明其在水平方向為勻速直線運動。
權(quán)利要求1.一種多光感應(yīng)測量儀，它包括測量架具、刻度尺、鐵質(zhì)落體重物，電磁鐵、電源、檢測頭V1-V1′～V3-V3′、數(shù)字計時器T1～T3，其特征在于，它還包括——一個時基電路IC1，它的輸出端V0與一個計數(shù)電路IC2的輸入端CP相連接，其輸出端Q1與一個電子開關(guān)V8的受控端b連接，V8′的控制端C與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的ask2′端連接，開關(guān)的ask1′端接共地端，開關(guān)的ask′端與所述計時器T1的主控門輸入端A1連接；——一個自鎖電路V9，跨接在IC2的輸出端Q2與IC1的強制復(fù)位端MR之間；——一個同軸雙聯(lián)開關(guān)SK3，一組跨接在電源B+與IC2的強制復(fù)位端R之間，另一組與平拋開關(guān)SK4串聯(lián)在所述的電磁鐵Y1與電源B+之間的回路內(nèi)；——所述檢測頭的第一路V1-V1′的輸出端與電子開關(guān)V1″的受控端b連接，V1″的控制端C分兩路，一路與所述計時器T1的主控制門輸入端B1連接，另一路與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的bsk2′端連接，開關(guān)的bsk1′端接共地端，開關(guān)的bsk′端與所述計時器T2主控門輸入端A2連接；——所述檢測頭的第二路V2-V2′的輸出端與電子開關(guān)V2″的受控端b連接，V2″的控制端C分兩路，一路與所述計時器T2的主控制門輸入端B2連接，另一路與一個相應(yīng)的測量轉(zhuǎn)換開關(guān)的csk2′端連接，開關(guān)的csk1′端接共地端，開關(guān)的csk′端與所述計時器T3的主控門輸入端A3連接；——所述檢測頭的第三路V3-V3′的輸出端與電子開關(guān)V3″的受控端b連接，V3″的控制端C與所述計時器T3的主控門輸入端B3連接。
專利摘要本實用新型提供了一種用于高中物理教學(xué)實驗的多光感應(yīng)測量儀,主要由時基電路、計數(shù)電路、自鎖電路、電子開關(guān)、檢測頭、數(shù)字計時器和測量架具組成。它是利用測量電路與數(shù)字計時器接續(xù),配以相應(yīng)的測量架具實現(xiàn)對物體運動位移時間t和落體瞬時時間Δt進行測量,克服了現(xiàn)有實驗儀器只能測量物體運動位移通過兩點之間的時間,不能從靜止開始運動瞬間開始計時、不能多段連續(xù)測量、不能測出落體瞬時位移時間等缺陷,解決了起始計時、多段連續(xù)測量與落體瞬時測量等問題,從而拓寬了數(shù)字計時器的使用范圍,能滿足現(xiàn)代高中物理力學(xué)教學(xué)中自由落體運動、勻變速直線運動、牛頓第二定律、機械能守恒定律、平拋運動等五大類力學(xué)實驗的測量應(yīng)用要求。
文檔編號G04F13/02GK2490613SQ01247249
公開日2002年5月8日 申請日期2001年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月9日
發(fā)明者陳慶元 申請人:陳慶元