专利名称：中学物理力学教学与实验仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种教学与实验仪器，尤其是指一种利用MEMS加速度传 感器或/和MEMS角速度传感器来测量物体运动加速度或/和角速度的中学物理 力学教学与实验仪器。
背景技术：
现有的中学物理力学教学与实验仪器大多利用测量长度、质量、时间等间 接方法通过计算来获取不能直接测量的物理量或验证某个定律。在教学与实验 过程中，这样的间接方法不利于给学生直观形象的体验，进而造成学生对某些 定理不能深刻理解，影响教学质量。
发明内容
本实用新型的目的在于设计一种中学物理力学教学与实验仪器，利用最新 的MEMS加速度传感器和MEMS角速度传感器直接获取物体运动的特征参数并 实时的展现出来，达到直观教学的目的。
按照本实用新型提供的技术方案，该仪器主要包含一个加速度或/和角速度 的测量装置，在该装置内设置MEMS加速度传感器(型号LIS302)或邻MEMS 角速度传感器(型IDG300)、微控制器(型号8051或PIC系列)和计算机 接口，其中MEMS加速度传感器或/和MEMS角速度传感器的输出与微控制器 的输入连接，微控制器的输出与计算机接口连接。
微控制器分别采集MEMS加速度传感器或/和MEMS角速度传感器的输出 信号，然后将这些数据通过计算机接口传给计算机。计算机根据不同的教学实 验模块相应地用不同的软件来处理这些数据并将结果显示出来。
所述运动部件可以是圆盘，在圆盘上设置加速度或/和角速度的测量装置， 并且，加速度或/和角速度的测量装置与圆盘的中心0间有间距r。
所述运动部件也可以是小球，该小球安装于弹簧上，弹簧的两端分别与固 定装置连接，在小球上设置加速度和角速度测量装置。所述弹簧可以有第一弹 簧与第二弹簧两根，第一弹簧的一端与固定装置连接，另一端与小球连接；小 球同时与第二弹簧连接，第二弹簧的一端与固定装置连接。
所述运动部件属于一种可以在水平台面上滑动的物体，在物体上连接牵引 绳，该牵引绳的另一端通过安装于水平台面边缘的滑轮后与物体连接，在物体 上设置加速度和角速度测量装置。
MEMS:即微电子机械系统，是20世纪80年代后期迅速发展起来的一项 新兴高技术。MEMS是由微机械零件和半导体元器件构成的集成微型系统，它 通过接口微电子器件可与现实世界相联系，对声、光、热、磁、运动等自然信 息进行感知、识别、控制和处理。MEMS的主要特点是微型化、多重性及微电 子化。本实用新型中的MEMS加速度传感器和MEMS角速度传感器体积小，重量轻，适合应用于各种小型设备。
本实用新型属于MEMS技术应用领域，因此对其所涉及的其他电子技术， 控制技术，通信技术等不再赘述。
利用本实用新型可进行测定滑动摩擦系数、测量弹簧振子的加速度及简谐 振动图象、验证向心加速度公式等中学物理力学教学课程与实验。
本实用新型的主要优点是体积小，重量轻，功耗低，直观性强，精度高， 一机多用，可以制作成很小的模块，安装方便。
图1为测定滑动摩擦系数的示意图。
图2为测量弹簧振子的加速度及简谐振动图象的示意图。
图3为验证向心加速度公式的示意图。
图4为测量装置的框图
具体实施方式
制造时，将本装置安装于传统实验仪器的运动部件上，所述传统实验仪器 包括测定滑动摩擦系数的实验仪器、测量弹簧振子的加速度及简谐振动图象 的实验仪器及验证向心加速度公式的实验仪器等物理力学类实验仪器。
一、 测定滑动摩擦系数
参照图l，所述运动部件为物体M1，实验时，将物体M1置于水平台面P1 之上，绳S1的一端连接M1，另一端通过滑轮H1连接物体M2，物体M1内置 加速度和角速度测量装置C1。
当水平台面P1上的物体Ml受到物体M2向下运动的拉力时将会作匀加速 直线运动，运动方程为M2g—μMlg=(Ml+M2)a
滑动摩擦系数为μ=(M2g-(Ml+M2)a)/Mlg
式中a是匀加速直线运动的加速度，g是重力加速度。
加速度和角速度测量装置Cl可以直接测定物体M1的加速度a，因此可以直接计算出物体M1和水平台面N1之间的滑动摩擦系数μ。
二、 测量弹簧振子的加速度及简谐振动图象
参照图2，所述运动部件为小球Q1，实验时，第一弹簧T1的一端与固定装 置D1连接，另一端与小球Q1连接，第二弹簧T2的一端与固定装置D2连接， 另一端也与小球Ql连接，小球Ql内置加速度和角速度测量装置Cl。
当小球Ql在第一弹簧Tl和第二弹簧T2的作用力下，小球Ql会作往复振 动。加速度和角速度测量装置C1可以直接测定小球Q1的加速度a，因此可以 通过测量装置的计算机接口 Jl直接在计算机上实时绘制出小球Q1的振动图象。
三、 验证向心加速度公式
参照图3，所述运动部件为圆盘Pl，实验时，圆盘Pl绕其中心点O以co 角频率旋转，加速度和角速度测量装置Cl固定于圆盘Pl并离中心O距离r。 向心加速度公式<formula>see original document page 4</formula>
通
过测量装置C1可得到径向加速度a和切向角速度ω，由于r可直接测量， 即可验证向心加速度公式。
所述MEMS加速度传感器可采用STMicroelectronics意法半导体公司生产的产品，MEMS角速度传感器可采用美国InvenSense公司生产的产品。所述教学与实验仪器可以有多种多样，只要将加速度和角速度测量装置Cl安装于相关的教学与实验仪器上就可以。
权利要求1、中学物理力学教学与实验仪器，包括运动部件，其特征是在所述运动部件内包含一个加速度或/和角速度的测量装置(C1)，在该测量装置(C1)内设置MEMS加速度传感器(U1)或/和MEMS角速度传感器(U2)、微控制器(U3)和计算机接口(J1)，其中MEMS加速度传感器(U1)或/和MEMS角速度传感器(U2)的输出与微控制器(U3)的输入连接，微控制器(U3)的输出与计算机接口(J1)连接。
2、 如权利要求l所述的中学物理力学教学与实验仪器，其特征是所述运 动部件为圆盘(Pl)，在圆盘(Pl)上设置加速度或/和角速度的测量装置(Cl)， 并且，加速度或/和角速度的测量装置(Cl)与圆盘(Pl)的中心(O)间有间 距(r)。
3、 如权利要求l所述的中学物理力学教学与实验仪器，其特征是所述运 动部件为小球(Ql)，该小球(Ql)安装于弹簧上，弹簧的两端分别与固定装 置(Dl)连接，在小球(Ql)上设置加速度和角速度测量装置(Cl)。
4、 如权利要求3所述的中学物理力学教学与实验仪器，其特征是所述弹 簧有两根(Tl、 T2)，第一弹簧(Tl)的一端与固定装置(Dl)连接，另一端 与小球(Ql)连接；小球(Ql)同时与第二弹簧(T2)连接，第二弹簧(T2) 的一端与固定装置(D2)连接。
5、 如权利要求l所述的中学物理力学教学与实验仪器，其特征是所述运 动部件为可以在水平台面(Nl)上滑动的物体(Ml)，在物体(Ml)上连接 牵引绳(Sl)，该牵引绳(Sl)的另一端通过安装于水平台面(Nl)边缘的滑 轮(HI)后与物体(M2)连接，在物体(Ml)上设置加速度和角速度测量装 置(Cl)。
专利摘要本实用新型涉及一种中学物理力学教学与实验仪器，尤其是指一种利用MEMS加速度传感器和MEMS角速度传感器来测量物体运动加速度和角速度的中学物理力学教学与实验仪器。按照本实用新型所提供的设计方案，该仪器主要包含一个加速度和角速度的测量装置C1，在该装置内设置MEMS加速度传感器U1、MEMS角速度传感器U2、微控制器U3和计算机接口J1，其中MEMS加速度传感器U1的输出、MEMS角速度传感器U2的输出与微控制器U3的输入连接，微控制器U3的输出与计算机接口J1连接。
文档编号G09B23/00GK201181535SQ20072004253
公开日2009年1月14日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者峰 王, 王俊云 申请人:王俊云;王 峰