专利名称：一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置的制作方法
技术领域：
一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置技术领域[0001]本实用新型涉及抛射体运动研究的实验装置，尤其涉及一种可实时时间显示的 抛射体运动研究的实验装置。
背景技术：
[0002]为使理工科大学生加深对运动独立性原理的认识，大学物理实验中安排学生进 行对抛射体运动的实验研究，实验通常是以方格纸为背景抛射一小球，采用照相拍摄小 球运动轨迹，然后利用照片上小球运动轨迹的瞬时位置数据，包括X坐标、Y坐标和在 该位置的时间t，分别写出它在X方向和Y方向的运动方程，来探索小球的运动规律。在 使用胶卷照相机时代，为拍摄小球运动获得照片上运动轨迹的瞬时位置是采用多次曝光 法，即在黑暗环境中抛射一小球，打开照相机快门，借助闪频仪以一系列等时间间隔的 多次闪光对其进行拍摄，这样，在同一张底片上，形成小球运动轨迹的若干个瞬时位置 图象；也有让运动小球在灯光照明下，用等时间间隔开启快门进行拍摄，获得底片上小 球运动轨迹的若干个瞬时位置图象。在数码照相时代，采用的方法是应用数码照相机的 摄像功能，拍摄抛射小球的运动全过程，然后，用截图软件截取视频中的一帧帧图，再 用图像处理软件将每帧图上的小球粘贴到同一张图的相应位置上，从而在电脑屏幕上获 得小球运动轨迹中的若干个瞬时位置数据。用上述几种方法均可得到小球运动过程中的 若干个瞬时位置，测量它在X方向和Y方向的位置坐标，但是对每两小球之间的运动时 间无法测量，只能以间接形式表示其时间量，前者以闪频仪的闪光频率来表征时间，如 闪频频率为25HZ，则获得底片上两相邻小球间隔时间推断为1/25秒=0.04秒；后者则 以数码照相机说明书所列每秒摄像帧数为表征时间依据，如说明书称摄像每秒30帧，则 认定两相邻小球间隔时间为1/30秒=0.033秒。显然，这样的时间值依据不够充分，非 实验操作人亲自测量得到，缺乏说服力，而且该时间值有一定误差。发明内容[0003]本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种可实时时间显示的抛射体 运动研究的实验装置。[0004]可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置包括拍摄灯箱、玻璃面板、抛射 管、光电门、时间显示器、数码照相机和三脚架，玻璃面板安装在拍摄灯箱正面，在拍 摄灯箱左边框上固定抛射管，抛射管低端管口两侧面按有光电门，拍摄灯箱右上方位置 嵌入安装时间显示器，数码照相机固定在三脚架上，镜头面对拍摄灯箱。[0005]所述的时间显示器包括石英晶体振荡器、多个分频器、第一计数器、第二计数 器、4个第一级显示LED和4个第二级显示LED ；石英晶体振荡器、分频器、第一计数 器和第二计数器依次连接，第一计数器和第一级显示LED连接，第二计数器和第二级显 示LED连接；石英晶体振荡器输出振荡频率为几十MHz的脉冲，多个分频器10将它分 成频率为IOOHz的脉冲，输入第一级8421码十进制计数器，计数器4个输出端与构成第一级显示的4个LED连接，该级显示为0.01秒数量级时间，LED点亮用8421码制读取。 当第一级计数器输入9个计数脉冲时，产生一进位脉冲输入第二级8421码计数器，计数 器4个输出端与构成第二级显示的4个LED连接，该级显示为0.1秒数量级时间，其LED 点亮用8421码制读取。[0006]所述的抛射管为一不对称U形空心管，管内径15 20mm，管两端高度差大于 0.5 米。[0007]所述的拍摄灯箱内按有多根日光灯。[0008]所述的玻璃面板为印制有黑色方格坐标的毛玻璃板。[0009]所述的光电门由发光二极管和光敏元件组成，两元件面面相对，距离15 20mm,光电门输出信号线与时间显示器连接。[0010]本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是[0011]1)在拍摄小球整个抛射运动过程中可定格小球瞬时位置和显示小球在该位置的 时间，计时精确度可达0.01秒；[0012]2)由于采用背光源照明，拍摄不受环境亮度影响，相机曝光时间短，拍摄图象 清晰、无拖影、对比度高，为后期处理工作带来极大方便；[0013]3)装置结构简单，省去了传统计时器的译码电路和七段LED数码管尽可能缩短 时间计数信号的传输路程，提高了时间测试精度，同时充分利用了 LED余辉时间短的特 点，避免了在显示毫秒时间时数码管七段笔划的不完整显示；[0014]4)制造成本低廉，操作方便，容易掌握，可靠性高。
[0015]图1是可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置的结构示意图；[0016]图2是本实用新型的时间显示器外形图；[0017]图3是本实用新型的时间显示器电路方框图；[0018]图4是本实用新型实施例截取视频示意图之一；[0019]图5是本实用新型实施例截取视频示意图之二 ；[0020]图中抛射管1、光电门2、拍摄灯箱3、玻璃面板4、时间显示器5、复位按钮 6、电源开关7、LED灯8、石英晶体振荡器9、分频器10、第一计数器11、第一级显示 LED 12、第二计数器13、第二级显示LED14。
具体实施方式
[0021]
以下结合附图对本实用新型作进一步的描述[0022]如图1所示，可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置包括拍摄灯箱3、玻 璃面板4、抛射管1、光电门2、时间显示器5、数码照相机和三脚架，玻璃面板4安装在 拍摄灯箱3正面，在拍摄灯箱3左边框上固定抛射管1，抛射管1低端管口两侧面按有光 电门2，拍摄灯箱3右上方位置嵌入安装时间显示器4，数码照相机固定在三脚架上，镜 头面对拍摄灯箱3。所述的抛射管为一不对称U形空心管，管内径15 20mm，管两端 高度差大于0.5米。拍摄灯箱内按有多根日光灯。玻璃面板为印制有黑色方格坐标的毛 玻璃板。光电门由发光二极管和光敏元件组成，两元件面面相对，距离15 20mm，光电门输出信号线与时间显示器连接。数码照相机和三脚架采用现有技术常用的连接和放 置，图中末画出。实验操作时，打开时间显示器5的电源开关7，按复位按钮6，使LED 灯8全部处熄灭状态，然后，将数码照相机置“摄像”功能，开启相机，开始拍摄，同 时将金属小球投入抛射管1入口，当小球从低端管口射出经过光电门时，光电门将信号 送至时间显示器，时间显示器5立即被启动开始计时，相机拍摄的视频记录了以方格坐 标为背景的小球抛射运动全过程，包括时间显示器显示的小球在运动全过程中各个位置 的时间。[0023]拍摄完成后，实验操作人员进行后期处理工作，将方才拍摄的视频存入电脑， 用截图软件截取视频中出现小球的一帧帧图，并记录每帧图中时间显示器显示的时间t， 再用图像处理软件将每帧图上的小球粘贴到同一张图的相应位置上，在电脑屏幕上获得 小球运动轨迹中的若干个瞬时位置图，借助方格坐标读得小球在每一瞬时位置的X、Y坐 标，实验操作人根据测得小球的X、Y坐标和对应时间t，经数据处理和计算写出小球在 X方向和Y方向的运动方程。[0024]如图2、3所示，时间显示器5包括石英晶体振荡器9、多个分频器10、第一计 数器11、第二计数器13、4个第一级显示LED 12和4个第二级显示LED14;石英晶体 振荡器9、分频器10、第一计数器11和第二计数器13依次连接，第一计数器11和第一 级显示LED 12连接，第二计数器13和第二级显示LED14连接；石英晶体振荡器9输出 振荡频率为几十MHz的脉冲，多个分频器10将它分成频率为IOOHz的脉冲，输入第一级 8421码十进制计数器，计数器4个输出端与构成第一级显示的4个LED连接，该级显示 为0.01秒数量级时间，LED点亮用8421码制读取。当第一级计数器输入9个计数脉冲 时，产生一进位脉冲输入第二级8421码计数器，计数器4个输出端与构成第二级显示的 4个LED连接，该级显示为0.1秒数量级时间，其LED点亮用8421码制读取。[0025]图2中，时间显示器5的外形图的面板上有上、下两行LED，每行四个，用以实 时显示小球在每一瞬时位置的时间。每行的四个LED点亮系按8421码读数，上行为0.1 秒数量级时间显示，故上行LED点亮表示时间为0.1秒X 8421码读数；下行为0.01秒数 量级时间显示，下行LED点亮表示时间为0.01秒X8421码读数。因此，小球在某一瞬 时位置的时间t =上行LED点亮表示时间(0.1秒X 8421码读数)+下行LED点亮表示时 间(0.01秒X 8421码读数)。[0026]图3中，时间显示器由石英晶体振荡器、多个分频器、两个计数器和8个LED组 成，石英晶体振荡器输出频率为几十MHz的脉冲，经过多个分频器分成频率为IOOHz的 脉冲即1脉冲/0.01秒，输入第一级8421码十进制计数器，计数器4个输出端与构成第一 级显示的4个LED连接，该级显示为0.01秒数量级时间显示，当计数器4个输出端输出 为0001，则与“1”码连接的LED点亮，表示为1X0.01秒=0.01秒，当计数器4个输出 端输出为0010，则与“2”码连接的LED点亮，表示为2X0.01秒=0.02秒，当计数器4 个输出端输出为0011，则与“1”、“2”码连接的LED同时点亮，表示为(1+2)X0.01 秒=0.03秒，......以此类推。当第一级计数器输入9个计数脉冲时，输出一进位脉冲输入第二级8421码计数器，计数器4个输出端与构成第二级显示的4个LED连接，该级显 示为0.1秒数量级时间显示，其LED点亮与表示时间关系与上相同。[0027]如图4所示，图中显示了小球在背景坐标中的位置，可用X、Y坐标表示，同时5显示了小球抛射在该位置的时间，时间显示器的LED上行第4个点亮，下行第3个点亮， 表示小球达到该位置经过的时间为1X0.1秒+2X0.01秒=0.12秒。[0028]如图5所示，图中显示了小球在背景坐标中的位置，可用X、Y坐标表示，同时 显示了小球抛射在该位置的时间，时间显示器的LED上行第4个点亮，下行第2和第3 个点亮，表示小球达到该位置经过的时间为1X0.1秒+(4+2) X 0.01秒=0.16秒，两帧图 对比，可知小球从图4位置抛射到本帧图位置经历的时间为0.16秒-0.12秒=0.04秒。[0029]照相机在拍摄小球运动过程中不但可精确显示小球瞬时位置X坐标和Y坐标， 还可实时显示该位置的时间t，精度达0.01秒。[0030]应予说明，可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置计时精度为0.01秒， 如有需要也可以将计时精度提高到0.001秒，只是在图3时间显示器电路方框图中增加一 级8421码十进制计数器和与之相连接的4个LED。这样的变换落在本实用新型的保护范 围之内。
权利要求1.一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特征在于包括拍摄灯箱(3)、玻璃面板(4)、抛射管(1)、光电门(2)、时间显示器(5)、数码照相机和三脚架， 玻璃面板(4)安装在拍摄灯箱(3)正面，在拍摄灯箱(3)左边框上固定抛射管(1)，抛射 管(1)低端管口两侧面设有光电门(2)，拍摄灯箱(3)右上方位置嵌入安装时间显示器(4)，数码照相机固定在三脚架上，镜头面对拍摄灯箱(3)。
2.根据权利要求1所述的一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特 征在于所述的时间显示器(4)包括石英晶体振荡器(9)、多个分频器(10)、第一计数器 (11)、第二计数器(13)、4个第一级显示LED(12)和4个第二级显示LED(14)；石英晶 体振荡器(9)、分频器(10)、第一计数器(11)和第二计数器(13)依次连接，第一计数 器(11)和第一级显示LED(12)连接，第二计数器(13)和第二级显示LED(14)连接；石 英晶体振荡器(9)输出振荡频率为几十MHz的脉冲，多个分频器(10)将它分成频率为 IOOHz的脉冲，输入第一级8421码十进制计数器，第一计数器(11)中的4个输出端与 第一级显示LED(12)中的4个LED连接，该级显示为0.01秒数量级时间，LED点亮用 8421码制读取，当第一计数器(11)输入9个计数脉冲时，产生一进位脉冲输入第二计数 器(13)，第二计数器(13)中的4个输出端与第二级显示LED(14)中的4个LED连接， 该级显示为0.1秒数量级时间，其LED点亮用8421码制读取。
3.根据权利要求1所述的一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特征 在于所述的抛射管为一不对称U形空心管，管内径15 20mm，管两端高度差大于0.5 米。
4.根据权利要求1所述的一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特征 在于所述的拍摄灯箱内设有多根日光灯。
5.根据权利要求1所述的一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特征 在于所述的玻璃面板为印制有黑色方格坐标的毛玻璃板。
6.根据权利要求1所述的一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置，其特征 在于所述的光电门由发光二极管和光敏元件组成，两元件面面相对，距离15 20mm， 光电门输出信号线与时间显示器连接。
专利摘要本实用新型公开了一种可实时时间显示的抛射体运动研究的实验装置。它包括拍摄灯箱、玻璃面板、抛射管、光电门、时间显示器、数码照相机和三脚架，玻璃面板安装在拍摄灯箱正面，在拍摄灯箱左边框上固定抛射管，抛射管低端管口两侧面安有光电门，拍摄灯箱右上方位置嵌入安装时间显示器，数码照相机固定在三脚架上，镜头面对拍摄灯箱。当小球射出抛射管低端管口经过光电门时，时间显示器自动开始计时，数码相机拍摄以方格坐标为背景的小球整个抛射运动过程视频。获得的图像清晰，读取X、Y坐标正确，计时精度可达0.01秒；拍摄不受环境亮度影响；相机曝光时间短，拍摄图像无拖影；装置结构简单，可靠性高，为研究抛射体运动提供了极为便利的实验条件。
文档编号G09B23/10GK201804474SQ201020257980
公开日2011年4月20日 申请日期2010年7月13日 优先权日2010年7月13日
发明者夏姣贞, 蒋卫建, 顾智企 申请人:浙江大学宁波理工学院