基于蓝牙技术的向心力探究演示仪的制作方法

本实用新型涉及教学领域，特别涉及一种基于蓝牙技术的向心力探究演示仪。

背景技术：

向心力是学生学习研究圆周运动中的核心概念，也是学生以后学习并运用万有引力定律解决天体运动问题的基础，目前对向心力定量探究实验研究相对较小，如在人教版中是先通过速度的矢量图求得向心加速度，再由牛顿第二定律推导出向心力的表达式，在实际教学中所采用的向心力演示仪的设计存在很大的误差，其演示作用主要还是以定量研究为主，无法定量分析，不具有说服力；要突破难点，必须对实验装置进行改造，要准确测出铁球做圆周运动的向心力大小、圆周半径及角速度，在测量中还要尽量避免结构设计存在的误差，从而实现定量分析。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于蓝牙技术的向心力探究演示仪，以克服上述已有技术存在的不足。

本实用新型采取的技术方案是：一种基于蓝牙技术的向心力探究演示仪，包括演示仪底盘、设在底盘内的步进电机，导轨、数据采集发射系统和电机控制及数据接收系统；

所述导轨水平安装在底盘上部，导轨的中心与步进电机的转轴转动连接，导轨上表面的一侧设有供试验铁球滑动的导槽，所述数据采集发射系统通过紧固旋钮整体安装在导轨设有导槽的一侧，导轨上设有记录数据采集发射系统位移的容栅尺条；

所述数据采集发射系统包括控制器Ⅰ、容栅位移传感器、压力传感器和蓝牙发射器，压力传感器和容栅位移传感器分别与控制器Ⅰ的输入端连接，控制器Ⅰ的输出端与蓝牙发射器的输入端连接；压力传感器与试验铁球接触的面位于导槽的中心；

所述电机控制及数据接收系统设在底盘内，包括控制器Ⅱ、显示模块、电机驱动模块和蓝牙接收器，所述控制器Ⅱ的输入端与蓝牙接收器的输出端连接，控制器Ⅱ的输出端分别与显示模块、电机驱动模块的输入端连接，电机驱动模块的输出端与步进电机连接；

所述蓝牙接收器与蓝牙发射器相匹配，数据采集发射系统通过蓝牙发射器将采集数据发送给蓝牙接收器，蓝牙接收器再通过控制器Ⅱ将数据输送到显示模块和电机驱动模块；

所述底盘上设有与显示模块输出端连接的显示屏和调节步进电机转速的调速旋钮。

进一步技术方案是：所述导轨与数据采集发射系统相对的另一侧设有配重块。

再进一步技术方案是：所述底盘上还设有步进电机转向转换开关和手动自动显示切换按钮，该步进电机转向转换开关和手动自动显示切换按钮的输出端分别与控制器Ⅱ的输入端连接。

更进一步技术方案是：所述控制器Ⅰ采用arduino mini控制器，所述控制器Ⅱ采用arduino UNO控制器，所述显示屏采用LED数码管显示屏。

由于采取上述技术方案，本实用新型之基于蓝牙技术的向心力探究演示仪具有以下有益效果：

1本实用新型之基于蓝牙技术的向心力探究演示仪，

通过数据采集发射系统上的容栅位移传感器测量铁球做圆周运动半径，

通过压力传感器测量铁球做圆周运动的做圆周运动的向心力，

调节紧固旋钮将数据采集发射系统水平放置，此时可以测量出铁球的质量，

通过步进电机转速调节旋钮可以改变步进电机的转速，从而调节铁球做圆周运动的角速度和周期，

将收集到的以上数据依次通过蓝牙发射器发射到蓝牙接收器中，从而实现定量的验证向心力的公式，最后通过显示屏显示出来，数据传输便捷、稳定、可视性强，教学效果明显。

2. 本实用新型之配重块可减小铁球做圆周运动是产生的晃动，可调速装置保证圆周运动的稳定性和可靠性，有利于减少铁球向心力的误差。

3. 步进电机电机安装在底盘内，通过步进电机转向转换开关可以改变圆周运动的方向；通过手动自动显示切换按钮可以显示出铁球的质量、圆周运动的半径、周期、向心力等物理量。

4. 本实用新型之基于蓝牙技术的向心力探究演示仪，采用高亮度LED数码管显示，可视性强，效果明显。

5. 由于数据采集发射系统上设有紧固旋钮，便于调节铁球运动半径，导轨上设有记录数据采集发射系统位移的容栅尺条，便于读取半径。

下面结合附图和实施例对本实用新型之基于蓝牙技术的向心力探究演示仪的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本实用新型之基于蓝牙技术的向心力探究演示仪的结构示意图；

图2：导轨的俯视图（安装有配重块、铁球及数据采集发射系统）；

图3：数据采集发射系统原理图；

图4：电机控制及数据接收系统原理图；

图中：

1-底盘，101-显示屏，102-步进电机调速旋钮，103-步进电机转向转换开关，

104-手动自动显示切换按钮，2-导轨，201-导槽，3-配重块，4-铁球，5-数据采集发射系统，501-压力传感器，502-紧固旋钮，503-容栅尺条。

具体实施方式

实施例一：

一种基于蓝牙技术的向心力探究演示仪，包括演示仪底盘1、设在底盘内的步进电机、导轨2、数据采集发射系统和电机控制及数据接收系统；

所述导轨2水平安装在底盘上部，导轨的中心与步进电机的转轴转动连接，导轨上表面的一侧设有供试验铁球4滑动的导槽201，所述数据采集发射系统通过紧固旋钮502整体安装在导轨设有导槽的一侧，所述导轨2与数据采集发射系统相对的另一侧设有配重块3，导轨上设有记录数据采集发射系统位移的容栅尺条503；

所述数据采集发射系统包括控制器Ⅰ、容栅位移传感器、压力传感器501和蓝牙发射器，压力传感器与试验铁球接触的面位于导槽的中心，压力传感器和容栅位移传感器分别与控制器Ⅰ的输入端连接，控制器Ⅰ的输出端与蓝牙发射器的输入端连接；

所述电机控制及数据接收系统设在底盘内，包括控制器Ⅱ、显示模块、电机驱动模块和蓝牙接收器，所述控制器Ⅱ的输入端与蓝牙接收器的输出端连接，控制器Ⅱ的输出端分别与显示模块、电机驱动模块的输入端连接，电机驱动模块的输出端与步进电机连接；

所述蓝牙接收器与蓝牙发射器相匹配，数据采集发射系统通过蓝牙发射器将采集数据发送给蓝牙接收器，蓝牙接收器再通过控制器Ⅱ将数据输送到显示模块和电机驱动模块；

所述底盘上设有与显示模块输出端连接的显示屏101和调节步进电机转速的调速旋钮102。

所述底盘上还设有步进电机转向转换开关（103）和手动自动显示切换按钮（104），该步进电机转向转换开关和手动自动显示切换按钮的输出端分别与控制器Ⅱ的输入端连接。

所述控制器Ⅰ采用arduino mini控制器，所述控制器Ⅱ采用arduino UNO控制器，所述显示屏采用LED数码管显示屏。

工作原理：

试验时将试验铁球至于导槽上，试验铁球外侧与压力传感器接触，通过调节发射器紧固旋钮可以调节试验铁球做圆周运动的半径，半径是通过容栅位移传感器测量出来的或者从容栅尺条上直接读出；通过压力传感器测量铁球做圆周运动的做圆周运动的向心力；调节紧固旋钮，可以将数据采集发射系统水平放置，此时可以测量出铁球的质量；步进电机电机安装在底盘内，通过步进电机转速调节旋钮可以改变步进电机的转速，从而调节铁球做圆周运动的角速度和周期。通过步进电机转向转换开关可以改变圆周运动的方向。通过手动、自动调节旋钮可以显示出铁球的质量、圆周运动的半径、周期、向心力等物理量。

打开电源开关后，控制器Ⅰ开始采集铁球的质量、圆周运动半径和向心力，蓝牙发射器将上述数据发送给蓝牙接收器。使用电机速度调节旋钮开始调速，当步进电机稳定之后控制器Ⅱ开始采集步进电机的转速数据并转换为角速度与周期并保存；当接收到蓝牙接收器传输过来的质量、半径以及向心力的数据后，依次保存数据，并依次通过LED数码显示管显示角速度、周期、质量、半径及向心力的数据。学生通过向心力的公式将数据带入进行运算，就可以验证向心力公式的正确性。