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一种可用于振动图像演示的运动传感器的设计与制作

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1、实验原理

实验装置如图2所示,它与图1演示装置不同的是摆球位置传感部分,采用了光电传感技术,其核心是光源、挡光片及硅光电池。硅光电池是一种把光能转换成电信号的半导体光电器件,一般在光强一定的情况下,其输出电压与受光面积成正比。于是设计让一面光源发出发出一束均匀的光线照向硅光电池,硅光电池与电源之间设置一挡光片,挡光片与摆球连动。当摆球摆动时,带动挡光片在光源与硅光电池之间来回摆动,硅光电池的受光面积也相应的发生变化,结果硅光电池跟随摆球的摆动输出不同的电压。

电路原理图如图3所示。+5V直流电经限流电阻R1后跟LED1LED4供电,保证4个发光二极管发出均匀的光线,R1不可取得过小,以免电流过大烧坏LED1LED4。两光电池的连线点接在零电位即地线上,这样上光电池对地输出正压,下光电池对地输出变电电压,将这电信号送往接口箱处理并送到计算机处理分析,最终在计算机上显示出单摆的简谐振动图像,频率、周期及摆幅等参数就可得到。

 

2、制作方法

整个装置如图4所示。为了保证输出的电信号与时间满足正弦或余弦关系,组成电位传感器的挡光片与硅光电池受光面积的结构是经过合理设计后确定的。光电池的受光面设计成扇形的一部分,且上、下两圆弧的圆心与转轮圆心(即悬挂点)同心。挡光片的两条边的延长线也要通过上述圆心。当摆球做简谐振动时保证受光面积的减少量或增加量与时间满足正弦或余弦关系,从而使输出电压变化的波形是正弦或余弦图像。

为了保证摆球摆动时挡光片只在竖直方向的平面内摆动,避免与光源或硅光电池表面发生摩擦。因此选用一个闹钟里的摆轮作摆球的悬挂点,摆轮两头为针状,可由两螺钉的凹口卡住,减小摆动时的摩擦。挡光片要能挡住红光且本身有足够的硬度,不会发生形变,这里选用废弃的电话卡剪成所需的形状,效果非常好。发光二极管选用表面为方形,高亮度的,这样保证发光面均匀、输出幅度足够高的电信号。

为了不使自然光对整个光电传感器带来不必要的影响,用双面敷铜板左成一个光屏蔽盒,将光电传感器部分置于其中,通过顶部的三颗螺钉调节水平及垂直,水平时输出电压为零,垂直时为摆线与刻度盘的中心线齐平,摆球摆动时不发生明显的摩擦,保证摆球在中心位置时输出的电压基本上为零,使演示效果更佳。

 

3、使用方法及注意事项

3.1 每次实验仔细调节好水平及垂直后方可着手做实验

3.2 试验中不可用手猛拉摆球或摆线,或用重物代替摆球,以免摆轮两针头发生形变,造成永久性损坏。

 

与接口箱连接的三根导线不能接错,原信号线如图5所示,与光电传感器连接的导线如图6所示,只要把+5V电压、地线及信号线相互连接好即可,原接口箱输出的-5V电压这里不用。

3.3

3.4 摆球摆动的摆角不可大于50,否则会给实验的演示效果带来影响。

3.5 注意按原实验要求打开接口箱及计算机的电源开关,开始实验。

该实验装置从理论分析、设计及制作都达到了设计要求,经过实验的操作演示,取得了令人满意的效果。

 

 

 

机械振动和机械波是中学物理的教学难点,做好有关的演示实验对于突破这一难点至关重要。然而这部分的演示实验大都不好做,用学校现存的仪器设备演示有时难于达到满意的效果。现行高中物理课本中,简谐振动图像是用一沙摆装置来演示的。由于这种演示装置的方法可靠性不高,长期以来,人们不断的对此进行研究探讨,设计出了不少新的演示装置以改进演示效果。教育部教学仪器所研制的微机辅助物理实验系统中采用如图1所示电位传感器,其基本的原理是正负直流电极板在水槽中形成一个均匀的点场,当摆球做平行于点场线的简谐振动时,与摆球下部相连的摆针就可检测到不同时刻与摆球位置相对应的电位,将此电信号经接口箱及计算机处理后,在屏幕上显示出单摆振动的图像。笔者参考图1设计制作出新的实验演示装置。

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