基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于運動學實驗教學演示實驗裝置領域，特別是涉及到一種基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置及方法。
【背景技術】
[0002]科氏加速度是動參系的轉動與動點相對動參系運動相互耦合引起的加速度，其在理論力學及運動學中教學占有較大比重。目前現有的科氏加速度實驗儀器功能的單一，無法兼具教學演示實驗功能，且現象不明顯或實驗過程枯燥，無法激發學生實驗興趣，造成科氏加速度理論教學困難。同時部分實驗儀器結構龐大，不利于搬運，且只具備單純演示功能，缺少數據采集或反饋功能，與現有多媒體網絡設備關聯性較低，無法在試驗后作出具有數據支撐的實驗報告，給實驗和教學造成不同程度的阻礙。
[0003]因此現有技術當中亟需要一種新的技術方案來解決這一問題。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的技術問題是:提供一種基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置及方法，用來解決現有的科氏加速度實驗儀器功能的單一，無法兼具教學演示實驗功能，且現象不明顯或實驗過程枯燥，無法激發學生實驗興趣，且只具備單純演示功能，缺少數據采集或反饋功能，與現有多媒體網絡設備關聯性較低，無法在試驗后作出具有數據支撐的實驗報告，給實驗和教學造成不同程度的阻礙等技術問題。
[0005]基于物理仿真型態下科氏加速度的演示與計算裝置，包括相對運動裝置、牽連運動裝置、檢測裝置和電器裝置；
[0006]其中相對運動裝置包括有軌道、軌道托架、軌道支架、軌道車；牽連運動裝置包括有箱體、電機、主動輪、V型帶、從動輪軸、從動輪、轉盤；檢測裝置包括有測速傳感器1、測速傳感器I1、測速傳感器II支架、光柵盤；電器裝置包括控制面板、電源開關、轉盤速度調節旋鈕、速度顯示屏1、速度顯示屏I1、轉接器、電機啟動開關、電機正轉切換開關、電機反轉切換開關、軌道車啟停遙控器、通信接口 ；
[0007]所述相對運動裝置固定安裝在轉盤上且數量為2個，這兩個相對運動裝置位于以從動輪軸為圓心的同一直徑上，且與圓心呈對稱分布；
[0008]所述軌道與軌道托架固定連接；所述軌道托架通過銷軸與軌道支架連接；所述軌道支架固定安裝在轉盤的上部；所述軌道車通過齒輪嚙合與軌道連接，使軌道車沿軌道的內徑做圓周運動，軌道車的內部設置有遙控開關感應部件；
[0009]所述箱體為無上蓋的箱式結構并且為透明材質，可以直接通過箱體觀察內部各個裝置的運行情況，便于演示教學；所述電機通過螺栓固定安裝在箱體的內底部；所述的主動輪與電機同軸連接，主動輪通過V型帶與從動輪連接；所述的從動輪通過從動輪軸和軸承固定安裝在箱體的內底部；所述轉盤與從動輪同軸并且固定連接；
[0010]所述測速傳感器I分為兩部分，一部分固定安裝在軌道上并通過導線和單片機與控制面板連接，另一部分固定安裝在軌道車上，通過電磁感應對軌道車進行測速；所述測速傳感器II數量為2個，并且均通過測速傳感器II支架固定在箱體的內底部，兩個測速傳感器II位于以從動輪軸為圓心的同一直徑上，且與圓心呈對稱分布；所述光柵盤的內徑與轉接器的外部固定連接，光柵盤的外邊緣位于測速傳感器II的感應區間內，并與測速傳感器II之間有2_?3_的間隙；
[0011]所述控制面板固定安裝在箱體的外側壁上，控制面板上設置有電源開關、轉盤速度調節旋鈕、速度顯示屏1、速度顯示屏I1、電機啟動開關、電機正轉切換開關、電機反轉切換開關和通信接口 ；所述轉盤速度調節旋鈕用來控制電機在正轉或者反轉時轉盤的轉速；電源開關用來實現整個裝置的電源接通或斷開；電機啟動開關用來控制電機的開啟或停止；電機正轉切換開關用來控制電機切換至正轉狀態；電機反轉切換開關用來控制電機切換至反轉狀態；所述速度顯示屏I用來顯示軌道車的速度；所述速度顯示屏II用來顯示轉盤的轉速；所述轉接器的內徑與從動輪軸固定連接并實現轉盤在轉動過程中的電力供應和信號傳輸。
[0012]一種基于物理仿真型態下科氏加速度的演示與計算的方法，包括以下操作流程:
[0013]步驟一、將通訊接口通過數據線與計算機連接；
[0014]步驟二、啟動電源開關，速度顯示屏1、速度顯示屏II接通電源點亮，速度顯示屏I顯示為0.00cm/s,速度顯示屏II顯示為0.00rad/s，進入計算機的采集數據界面，準備工作就緒；
[0015]步驟三:啟動電機啟動開關，將電機置于待機狀態；
[0016]步驟四:啟動電機正轉切換開關，電機開始正轉運行，電機通過V型帶帶動從動輪旋轉，從動輪帶動轉盤順時針旋轉，速度顯示屏II顯示轉盤的順時針實時轉速ω ;啟動電機反轉切換開關，電機開始反轉運行，從動輪帶動轉盤逆時針旋轉，速度顯示屏II顯示轉盤的逆時針實時轉速ω ；
[0017]步驟五:調節轉盤速度調節旋鈕，并依據速度顯示屏II的顯示結果，將轉盤轉速值設定為Orad/s?40rad/s區間內的一個值，并將該設定值保持穩定；
[0018]步驟六:通過軌道車啟停遙控器同時啟動兩個軌道車，使兩個軌道車分別沿各自軌道的內徑做相對反向的圓周運動；
[0019]步驟七:通過速度顯示屏I顯示軌道車車速I數值處于11.40cm/s?11.80cm/s正常工作狀態，操作者根據速度顯示屏1、速度顯示屏II顯示的數值采集數據并記錄，同時數據通過通信接口傳輸到計算機，并在計算機上顯示波形圖；
[0020]步驟八:重復操作步驟四?步驟七五次，采集五組轉盤的轉速ω和軌道車車速I數據；
[0021]步驟九:首先按下電機啟動開關電機停止轉動，然后按下電源開關切斷設備供電，最后將轉盤速度調節旋鈕、電機正轉切換開關、電機反轉切換開關順次復位；
[0022]步驟十:按下軌道車啟停遙控器停止軌道車；
[0023]步驟十一:依據上述步驟采集到的五組數據，采用科氏加速度ak的公式a k =2?XVr,計算出5組科氏加速度ak的數據，將計算出的5組科氏加速度a k數據與計算機上顯示的波形圖對比，驗證計算出的數據的準確性。
[0024]所述的軌道支架數量為2個，且兩個軌道支架的高度差為3cm?5cm。
[0025]所述的電機為步進式電機或直流電機。
[0026]有益效果:1、本發明是一種與當前現有技術完全不同的教學演示實驗裝置和實驗測試裝置，旨在模擬牽連運動為轉動時與相對運動相互耦合所產生的科氏加速度，并通過牽連運動和相對運動速度分測，提高了測量精度。
[0027]2、本發明提供基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算方法，其測量結果通過顯示屏分屏顯示，便于記錄和觀察實驗數據變化。實驗裝置選擇地面為定系，軌道為動系，軌道車為動點。實驗裝置底部的轉盤帶動軌道相對地面做牽連運動，轉動的角速度為ω。軌道車相對軌道做相對運動，相對速度為\。通過軌道相對地面的轉動和軌道車的相對運動相互耦合從而產生科氏加速度ak。根據公式ak= 2 ω XV P計算出科氏加速度ak的數值。
[0028]3、本發明使得相對運動與牽連運動的運動平面相互垂直，使動點的運動成為空間運動；可以實時檢測轉盤速度與軌道車運轉速度，實驗現象更加直觀，而且轉盤速度可調，便于觀察。
[0029]4、本發明的箱體為透明材質，便于觀察和教學演示，同時兩個軌道支架的高度差為3cm?5cm，可以在不使用時將軌道折疊進箱體，在保護了實驗裝置的同時節省了占用的空間。
【附圖說明】
[0030]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明:
[0031]圖1為本發明基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置的主視示意圖。
[0032]圖2為本發明基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置的左視示意圖。
[0033]圖3為本發明基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置的俯視示意圖。
[0034]圖4為本發明基于物理仿真形態下科氏加速度的演示與計算裝置及方法的操作流程圖。
[0035]圖中1-軌道、2-軌道托架、3-軌道支架、4-軌道車、5-箱體、6-電機、7_主動輪、8-V型帶、9-從動輪軸、10-從動輪、11-轉盤；12_測速傳感器1、13-測速傳感器I1、14-測速傳感器II支架、15-光柵盤、16-控制面板、17-電源開關、18-轉盤速度調節旋鈕、19-速度顯示屏1、20_速度顯示屏I1、21_轉接器、22-電機啟動開關、23-電機正轉切換開關、24-電機反轉切換開關、25-軌道車啟停遙控器、26-通信接口。
【具體實施方式】
[0036]如圖所示，本發明基于物理仿真型態下科氏加速度的演示與計算裝置，包括相對運動裝置、牽連運動裝置、檢測裝置和電器裝置；
[0037]其中相對運動裝置包括有軌道1、軌道托架2、軌道支架3、軌道車4 ;牽連運動裝置包括有箱體5、電機6、主動輪7、V型帶8、從動輪軸9、從動輪10、轉盤11 ;檢測裝置包括有測速傳感器I 12、測速傳感器II 13、測速傳感器II支架14、光柵盤15 ;電器裝置包括控制面板16、電源開關17、轉盤速度調節旋鈕18、速度顯示屏I 19、速度顯示屏II 20、轉接器21、電機啟動開關22、電機正轉切換開關23、電機反轉切換開關24、軌道車啟停遙控器25、通信接口 26 ；
[0038]所述相對運動裝置固定安裝在轉盤11上且數量為2個，這兩個相對運動裝置位于以從動輪軸9為圓心的同一直徑上，且與圓心呈對稱分布；
[0039]所述軌道I與軌道托架2固定連接；所述軌道托架2通過銷軸與軌道支架3連接；所述軌道支架3固定安裝在轉盤11的上部；所述軌道車4通過齒輪嚙合與軌道I連接，使軌道車4沿著軌道I的內徑做圓周運動，軌道車4的內部設置有遙控開關感應部件；
[0040]所述箱體5為無上蓋的箱式結構并且為透明材質，可以直接通過箱體5觀察內部各個裝置的運行情況，便于演示教學；所述電機6通過螺栓固定安裝在箱體5的內底部；所述的主動輪7與電機6同軸連接，主動輪7通過V型帶8與從動輪10連接；所述的從動輪10通過從動輪軸9和軸承固定安裝在箱體5的內底部；所述轉盤11與從動輪10同軸并且固定連接；
[0041]所述測速傳感器I 12分為兩部分，一部分固定安裝在軌道I上并通過導線和單片機與控制面板16連接，另一部分固定安裝在軌道車4上，通過電磁感應對軌道車4進行測速；所述測速傳感器II 13數量為2個，并且均通過測速傳感器II支架14固定在箱體5的內底部，兩個測速傳感器II 13位于以從動輪軸9為圓心的同一直徑上，且與圓心呈對稱分布；所述光柵盤15的內徑