一种物理平抛运动的数据采集装置及方法与流程

本发明涉及物理实验技术领域，特别是涉及一种物理平抛运动的数据采集装置及方法。

背景技术：

将物体用一定的初速度沿水平方向抛出，不考虑空气阻力，物体只在重力作用下所做的运动，叫做平抛运动。平抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动这两个分运动。

目前，研究平抛运动规律的实验方法有：1、利用描迹方法研究其运动轨迹；2、利用闪光照片定量研究其运动规律；3、利用平抛运动分解仪定性分析其运动规律。第一种方法只能定性说明其运动轨迹，不能研究运动规律。第二种方法能定量分析平抛运动规律，分析深刻，效果好，但实验设备复杂，价格高、操作难度大，只能在暗室中进行，因此很难普及。教学中常用已拍好的现成照片，学生不能亲自实验，教师不好进行演示。第三种方法利用对比方法间接分析平抛运动，该方法仍属于一种定性方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种物理平抛运动的数据采集装置及方法，旨在解决现有技术中平抛运动数据采集中无法定量分析运动规律的问题，实现定性与定量结合的方式揭示运动规律，装置设计简单易操作。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种物理平抛运动的数据采集装置，所述装置包括：

压力传感器、旋转角度传感器、水平仪、原点对齐组件、激光测距仪；

所述压力传感器设置于导轨顶端，旋转角度传感器设置于导轨的拐角处，水平仪设置于导轨的水平部分，原点对齐组件设置于导轨水平部分的末端，所述导轨固定于内板上；

所述内板粘贴有坐标纸，并固定于底座上，所述底座还设置有滑动杆，所述滑动杆上设置有挡槽，所述挡槽沿滑动杆上下移动，并固定于某一位置；

所述激光测距仪分别于挡槽一端以及内板上端各设置一个，分别测量横坐标以及纵坐标。

优选地，所述压力传感器用于通过获取释放小球的信号，验证小球是否固定在起始位置处，包括内置导线、铜棒、铜片、微型电源以及电流检测组件，所述内置导线一直处于与铜棒连接状态，铜片外接一根导线经微型电源以及电流检测组件与内置导线连接，构成回路。

优选地，所述铜棒在受到压力下降时，接触到底部的铜片，整个回路产生电流，信号被电流检测组件接收，将电流信号无线传输至电脑终端。

优选地，所述旋转角度传感器用于获取物体获得初速度的下落角度，包括固定条、电阻圈导线、微电流表以及微型电源。

优选地，所述固定条上设置有卡条，通过与凹槽的配合设计，用于以不同角度来固定固定条，所述固定条的底端连接导线，分别经微型电源以及微电流表，并通过导线连接电阻圈。

优选地，所述水平仪用于判断导轨的水平部分是否水平放置，包括圆管两端铜片、铁球、底端铜片、导线、微电源以及电流信号处理模块，当水平放置时，铁球处于中间位置，电流未导通，信号输出端无输出，当发生倾斜时，铁球与某一端的铜片接触，并和底部铜片一直处于连接中，构成通路。

优选地，所述原点对齐组件用于判断导轨末端是否和坐标纸原点对齐，包括金属凸点、微型凹片、导线、微型电源以及电流信号处理模块，所述金属凸点安装于导轨末端出口靠近内板的一侧，所述微型凹片安装与内板上与原点水平的位置，所述微型凹片在凹陷处设置有金属涂层。

本发明还提供了一种物理平抛运动的数据采集方法，利用所述装置来实现，所述方法包括以下步骤：

s1、调整轨道角度，通过原点对齐组件查看轨道末端是否与坐标纸的原点重合，通过水平仪查看轨道是否水平放置；

s2、通过压力传感器监测小球是否被释放，当小球被释放后，利用激光测距仪测量小球落点的横、纵坐标；

s3、重复步骤s2，获取一定数量的落点坐标，并拟合成曲线；

s4、调整轨道角度，分别获取不同角度下的平抛曲线。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过设置压力传感器、旋转角度传感器、水平仪、对齐组件、激光测距仪，实现物理平抛运动的数据采集。通过压力传感器监测平抛物体是否释放，并利用旋转角度传感器监测下落时的角度信息，并分别利用水平仪以及原点对齐组件监测导轨是否水平以及下落点是否与坐标纸原点对齐，从而保证平抛运动数据的精确度。通过激光测距仪监测下落点的横、纵坐标，通过调整挡槽高度，连续记录多次的平抛运动的下落点，并采用曲线拟合各点，形成抛物线。本发明解决了现有技术中平抛运动数据采集中无法定量分析运动规律的问题，实现定性与定量结合的方式揭示运动规律，装置设计简单，操作难度小，更易于普及。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种物理平抛运动的数据采集装置结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种压力传感器结构示意图；

图3为本发明实施例中所提供的一种旋转角度传感器结构示意图；

图4为本发明实施例中所提供的一种水平仪结构示意图；

图5为本发明实施例中所提供的一种原点对齐组件结构示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种物理平抛运动的数据采集装置及方法进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种物理平抛运动的数据采集装置，所述数据采集装置包括：

压力传感器、旋转角度传感器、水平仪、原点对齐组件、激光测距仪；

所述压力传感器设置于导轨顶端，旋转角度传感器设置于导轨的拐角处，水平仪设置于导轨的水平部分，原点对齐组件设置于导轨水平部分的末端，所述导轨固定于内板上；

所述内板粘贴有坐标纸，并固定于底座上，所述底座还设置有滑动杆，所述滑动杆上设置有挡槽，所述挡槽沿滑动杆上下移动，并固定于某一位置；

所述激光测距仪分别于挡槽一端以及内板上端各设置一个，分别测量横坐标以及纵坐标。

所述压力传感器用于通过获取释放小球的信号，验证小球是否固定在起始位置处，如图2所示，在初始位置处的夹子上部放置压力传感器，通过电流信号来验证是否夹住物体。

内置导线一直处于与铜棒连接状态，底部铜片外接一根导线经微型电源与内置导线连接，构成回路。并在回路中设置一个用于检测电流信号的电流检测组件，当铜棒顶部受到压力下降时，接触到底部的铜片，整个回路产生电流，信号被电流检测组件接收，将电流信号无线传输至电脑终端。所述无线传输方式包括蓝牙、wifi等。

将小球固定于压力传感器铜棒顶部，当释放小球时，回路断开，根据电流检测组件监测到的电流变化来验证小球是否被释放。

所述旋转角度传感器用于获取物体获得初速度的下落角度，并将角度信息以电信号的形式发送至电脑终端，如图3所示。

整个回路包括固定条、电阻圈导线、微电流表以及微型电源。所述电阻圈导线上设置固定凹槽，在本发明实施例中，凹槽的数量设定为17个，使角度变换为5°到85°，每5°一个凹槽。固定条上设置有卡条，通过与凹槽的配合设计，用于以不同角度来固定固定条。所述固定条的底端连接导线，分别经微型电源以及微电流表，并通过导线连接电阻圈。通过判定流经整个回路的电流大小来计算角度，电流的变化范围为0.1a～2.0a,电阻范围为1～30ω，电源为3v。当角度为5°时，此时回路中电阻最大，电流最小，为0.1a左右，当角度为85°时，回路中电流最大，大约为2a左右。

所述水平仪用于判断导轨的水平部分是否水平放置，如图4所示。

水平仪的整个回路包括圆管两端铜片、铁球、底端铜片、导线、微电源以及电流信号处理模块。当水平放置时，铁球处于中间位置，电流未导通，信号输出端无输出，当发生倾斜时，铁球将会与某一端的铜片接触，并和底部铜片一直处于连接中，从而构成一个通路，输出信号端输出信号，指示导轨没有水平放置。

所述原点对齐组件用于判断导轨末端是否和坐标纸原点对齐，如图5所示。

原点对齐组件整个回路包括金属凸点、微型凹片、导线、微型电源以及电流信号处理模块。所述金属凸点安装于导轨末端出口靠近内板的一侧，所述微型凹片安装与内板上与原点水平的位置。所述微型凹片在凹陷处设置有金属涂层。

当导轨末端位置与坐标原点吻合时，电流回路连通，产生电流信号，此时表示已经对齐，否则没有对齐，该设置需要在坐标纸原点与内板安装凹片的位置一致。

所述激光测距仪用于获取小球坠落位置的坐标。在本发明实施例中激光测距仪设置两个，分别位于挡槽一端和内板上。挡槽内的激光测距仪用于测量横向距离，即小球落点的横坐标；内板上竖直的激光测距仪测量坐标纸顶部起点到挡槽的距离，即小球坠落的纵坐标。由此可获取小球每次落点的坐标，并传输至电脑终端。

本发明实施例通过设置压力传感器、旋转角度传感器、水平仪、对齐组件、激光测距仪，实现物理平抛运动的数据采集。通过压力传感器监测平抛物体是否释放，并利用旋转角度传感器监测下落时的角度信息，并分别利用水平仪以及原点对齐组件监测导轨是否水平以及下落点是否与坐标纸原点对齐，从而保证平抛运动数据的精确度。通过激光测距仪监测下落点的横、纵坐标，通过调整挡槽高度，连续记录多次的平抛运动的下落点，并采用曲线拟合各点，形成抛物线。本发明解决了现有技术中平抛运动数据采集中无法定量分析运动规律的问题，实现定性与定量结合的方式揭示运动规律，装置设计简单，操作难度小，更易于普及。

本发明实施例还公开了一种物理平抛运动的数据采集方法，所述方法包括以下操作：

s1、调整轨道角度，通过原点对齐组件查看轨道末端是否与坐标纸的原点重合，通过水平仪查看轨道是否水平放置；

s2、通过压力传感器监测小球是否被释放，当小球被释放后，利用激光测距仪测量小球落点的横、纵坐标；

s3、重复步骤s2，获取一定数量的落点坐标，并拟合成曲线；

s4、调整轨道角度，分别获取不同角度下的平抛曲线。

将平抛实验仪放置于桌面上，通过原点对齐组件查看轨道末端是否与坐标纸的原点重合，通过水平仪查看轨道是否水平放置。

调节轨道的角度，通过旋转轨道处的旋转按钮，调节轨道的角度，角度数值由旋转角度传感器获取并将信号发送至电脑终端。放置小球到起始位置，并通过夹子固定在轨道顶点，夹子上的压力传感器来确定小球是否被释放。

释放小球后，小球滑落到挡槽上，并会在坐标纸上留下一个点，此时通过激光测距仪对落点坐标进行测量，获取其横、纵坐标。

调整挡槽的位置高度，由高到底重复平抛运动，直到留下预定数量的点，用一条光滑的曲线拟合各点，形成类抛物线。

利用控制变量法进行条件对比试验，通过旋转按钮调整旋转角度，使其倾角从5°改变至90°，重复平抛运动，并拟合轨迹曲线，观察小球的平抛运动规律。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。