變力做功演示實驗儀的制作方法

專利名稱：變力做功演示實驗儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于計算機輔助教學實驗設備，具體地說是一種計算機輔助變力做功 演示實驗儀。
背景技術：
在中學物理中變力做功這塊內容的一直以來都是教學難點。目前為止變力做功問 題必須借助于高等數學的微積分知識才能解決。而一部分學生則因數學知識薄弱、搞不清 功與積分變量的關系而根本無從下手。一般的數學上的求解方式思路是可將變力做功轉為 恒力做功、用路程代替位移求功、用平均力計算功、利用圖象求功、利用功能關系求解等。由于變力做功在實際的實驗操作中無法直接觀察實驗現象與實驗結果，目前為止 還沒有任何關于變力做功的演示實驗，在教學上一直都是以教師語言講述教育為主，事實 證明這樣的教學方法其效果并不好。教學課件已被多數學者和教師所接受，作為教學實驗的有效手段。但是其課件不 能真實的向學生展示整個變力做功的過程，對形象思維優于抽象思維的學生來講并不具有 很強的說服力。計算機輔助教學的高度發展以及計算機與傳感、電子、數字化等技術相結合，已經 形成了嶄新的實驗方法和技術。因此設計一種計算機輔助變力做功實驗的教學系統已經成 為可能。和多媒體技術的課件相比它能給學生形象直觀的演示，更能向學生全面的展示變 力做功的現象，了解實驗原理，解除心理上的疑慮，說服力更強起到較好的教學效果。向學生展示最好的方法是隨時把整個做功過程中的力F、位移S和做功值W顯示出 來并繪制出F-S圖像。這就需要使用計算機進行處理，只要隨時提供給計算機做功過程中 的F、S值，再通過計算機軟件的處理，很容易便可以達到上述這種效果。而F、S值并不是 計算機可以直接采集的數據。

實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種能隨時把整個做功過程中的力F、位移S和做功 值W顯示出來并繪制出F-S圖像計算機輔助變力做功演示實驗儀。實現本實用新型目的的具體技術方案是對于力F我們通過一個拉力傳感器便可 以將F直接轉換為電壓信號，當電壓信號太小時就要配合適當的放大電路使其值達到可以 被采集的范圍。對于做功過程中的力方向上通過的位移值S，將做功物體通過一個滑環連接 到一根足夠長的電阻絲，電阻絲兩端外接一個電源，然后分別從滑環處和電阻絲的某一端 各引出一條線。這兩端采集的電壓便可以計算出做功物體通過的位移。具體說該計算機輔助變力做功實驗儀由微型計算機、變力做功裝置，數據采集卡 所組成，變力做功裝置由兩端帶固定端的導軌式外殼、設置于外殼內連接在其中一個固定 端上的拉力傳感器與拉力傳感器相連的彈簧連接在彈簧另一端的拉線、與拉力傳感器相連 的拉力信號放大電路所組成，彈簧的拉線穿過導軌式外殼一個固定端通孔露出在外，數據采集卡分別連接微型計算機和變力做功裝置；所述的變力做功裝置的彈簧和拉線的連接部 還設有導向滑環。本實用新型的計算機輔助變力做功演示實驗儀，力F和力方向上通過的位移值S 這兩路信號輸入電腦，通過計算機語言編程可將繪制出F-S圖象并得到做功值W，實驗系統 為探究學習提供了便利的條件。系統實現了很強的人機交互功，能對學生的實驗過程進行 及時的反饋；滿足了學生的急于了解自己實驗結果的愿望；提高了學生的積極性。同時實 驗過程的簡化和實驗效率的提高，使學生之間、學生和老師之間具備更多的機會進行相互 的交流和探討。。

圖1是本實用新型實施例系統結構原理圖圖2是本實用新型實施例結構示意圖
具體實施方式
以下結合實施例對本實用新型作進一步的說明，但本實用新型也不僅限于實施例 的內容。如圖所示，本實用新型的計算機輔助變力做功演示實驗儀是小型的計算機輔助變 力做功實驗儀械，它包括微型計算機、變力做功裝置，數據采集卡所組成，變力做功裝置由 兩端帶固定端的導軌式外殼、設置于外殼內連接在其中一個固定端上的拉力傳感器與拉力 傳感器相連的彈簧連接在彈簧另一端的拉線、與拉力傳感器相連的拉力信號放大電路所組 成，彈簧的拉線穿過導軌式外殼一個固定端通孔露出在外，數據采集卡分別連接微型計算 機和變力做功裝置。所述的變力做功裝置的彈簧和拉線的連接部還設有導向滑環。系統原理綜述為了保證F與S在同一方向上，整個實驗的做功過程在一個固定的密封導軌上進 行。導軌兩面為玻璃，易于學生觀察。拉力傳感器兩段所輸出的電信號可直接讀取仏(轉 換即力F信號)。為了實驗儀器的可操作和美觀性，可將拉力傳感器固定在左端右端，通過 彈簧連接做功物體，接出細線，操作時對細線伸出部分大致水平向右，該力受方向儀器限制 后細線對拉力傳感器力的作用方向必定是沿著導軌向右。電阻絲的橫跨導軌兩端平行且等 長，做功物體通過彈簧與導體滑環連接。導體滑環的作用是為了保持彈簧處于正常理想的 工作狀態。在導軌的下方是等長平行的鐵絲，導體滑環套在電阻絲接壤處與鐵絲緊貼，鐵絲 和鐵片外表光滑并與電阻絲接觸良好。如此做功過程中電阻上的電壓就通過鐵片轉移到了 鐵絲和電阻右端兩端的電壓U2。整個電阻絲外接電源Utl，阻絲總長度可測。假如整個電阻絲的長度是1cm， j^j \ctyi
#=匸。其中X表示是做功物體在力的方向上通過位移S，這就使的電壓值表示通過的
位移變的可行性。因此通過做功前后輸出電壓與電源電壓就可求出滑環在電阻絲上的位 移。根據以上分析利用數據采集器采集仏、隊后輸入計算機。在使用計算機編制處理數據的程序時就可以直接使用采集到的Up U2 了。當然在使用的時候還必須將Up U2還原 為力F和位移S的值。實際實驗中由于受傳感器輸出信號的大小和數據采集器所能采集的 信號大小范圍的限制，在傳感器信號輸出端與數據采集器之間還要接一個放大電路。因此 在將U1還原為F時必須將U1除以放大電路的放大倍數，然后在根據傳感器拉力與輸出信號 電源電壓的關系函數計算出F值。此函數關系在實驗前對傳感器定標時得出。將隊還原 為位移則比較簡單。只要根據串聯電路分壓定律就可以計算。設做功前后U2值分別時U/、 U2 “電阻絲總長度為L電源電壓U0則S = (U2 “ -U2O U0Ao在計算機中得到F、S之后就可以根據反饋實驗結果進行VB語言編程了。根據實 驗需要將在主界面上動態反饋F、S與W的值并動態繪制出F-S圖象。系統構造設計做功裝置成品，如圖2所示做功部分的設計主要包括導軌拉力傳感器，彈簧，滑環，電阻絲，鐵片，細線拉力 F等部件。導軌的作用是限制做功物體與傳感器的運動方向。因為與做功物體硬連接的滑 環套于電阻絲上，使得滑環的位移與傳感器的位移形成同步，因此也就是限制了做功物體 的位移方向。而電阻絲則由兩枚鐵釘固定在底座上，鐵釘包上絕緣介質，防止與電阻絲導 通。滑環的作用是矯正做功物體的受力方向，以保證做功物體位移方向與受力方向一致，且 對彈簧起支撐作用。鐵片的作用是將做功通過電阻絲的兩端的電壓轉移出來以方便測量和 美觀。此外，彈簧通過浸染絕緣漆，做絕緣處理后，保證不與電阻絲觸碰導通。拉力傳感器由于實驗時傳感器是直接買的成品，因此傳感器本身的原理就不介紹 了。此傳感器工作時要求外接電源的電壓處于5-10V之間實驗時以取5V為例。圖中有4 個接線端，(接地線未畫出)其中2個接外電源，另外兩個接線端為輸出電信號。此傳感器 線性良好，在外接5V電源電壓的情況下輸出信號與傳感器所受拉力的關系是1. 94毫伏/ 千克。此關系式是根據拉力傳感器標定得出。由于實際實驗限制輸出信號的大小只有幾個 毫伏，而數據采集設備能采集的電壓有最小限制值，被采集數據最好大小處于幾百毫伏到 幾伏之間，因此此處要插入一個放大電路。放大電路[5]電路圖采用三級運放(放大500倍)其中
權利要求1.一種變力做功演示實驗儀，其特征在于由微型計算機、變力做功裝置，數據采集卡所 組成，變力做功裝置由兩端帶固定端的導軌式外殼、設置于外殼內連接在其中一個固定端 上的拉力傳感器與拉力傳感器相連的彈簧連接在彈簧另一端的拉線、與拉力傳感器相連的 拉力信號放大電路所組成，彈簧的拉線穿過導軌式外殼一個固定端通孔露出在外，數據采 集卡分別連接微型計算機和變力做功裝置。
2.如權利要求1所述的變力做功演示實驗儀，其特征在于所述的變力做功裝置的彈 簧和拉線的連接部還設有導向滑環。
專利摘要本實用新型涉及一種計算機輔助變力做功演示實驗儀。由微型計算機、變力做功裝置，數據采集卡所組成，變力做功裝置由兩端帶固定端的導軌式外殼、設置于外殼內連接在其中一個固定端上的拉力傳感器與拉力傳感器相連的彈簧連接在彈簧另一端的拉線、與拉力傳感器相連的拉力信號放大電路所組成，彈簧的拉線穿過導軌式外殼一個固定端通孔露出在外，數據采集卡分別連接微型計算機和變力做功裝置。力F和力方向上通過的位移值S這兩路信號輸入電腦，通過計算機語言編程可將繪制出F-S圖象并得到做功值W，實驗系統為探究學習提供了便利的條件。同時實驗過程的簡化和實驗效率的提高，使學生之間、學生和老師之間具備更多的機會進行相互的交流和探討。
文檔編號G09B19/00GK201910159SQ20102014467
公開日2011年7月27日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者萬旭, 張文浩, 彭保進, 金可有, 陳洲 申請人:浙江師范大學