拋體運(yùn)動(dòng)軌跡記錄裝置設(shè)計(jì)

劉曉丹 于曉艷 哈爾濱師范大學(xué)

拋體運(yùn)動(dòng)軌跡記錄裝置設(shè)計(jì)

劉曉丹 于曉艷 哈爾濱師范大學(xué)

基于高中物理教科版必修2的平拋運(yùn)動(dòng)的探究實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一種能夠真實(shí)記錄拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的裝置。該裝置主要由拋體電磁彈射部分、紅外線發(fā)射部分、紅外線發(fā)射裝置固定支架、拋體彈射支架部分以及LED顯示屏組成。在不干擾拋體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的情況下，設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸記錄拋體運(yùn)動(dòng)軌跡，并將其在LED顯示屏上顯示，使得拋體運(yùn)動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)變得形象直觀,有利于學(xué)生理解拋體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

非接觸方式；電磁彈射；LED顯示屏

引言

目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)關(guān)于拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的研究，多數(shù)采用閃光照相、撞擊痕跡等記錄方式，實(shí)驗(yàn)器材分散，不能連續(xù)記錄拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不直觀。為了克服上述實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，本文提出一種可真實(shí)記錄拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的裝置，利用LED顯示屏實(shí)時(shí)記錄拋體運(yùn)動(dòng)軌跡，并顯示出來(lái)。

1.實(shí)驗(yàn)裝置原理

本文設(shè)計(jì)的裝置主要由五部分組成（圖1）：拋體電磁彈射部分（1），紅外線發(fā)射部分（2），紅外線發(fā)射裝置固定支架（3），拋體電磁彈射支架部分（4），LED顯示屏（5）。

紅外線發(fā)射部分（2）連續(xù)發(fā)出38KHz紅外線信號(hào)，照射到LED屏幕（5），LED屏幕有紅外接收頭（其原理在后面詳述），通過(guò)電路控制對(duì)應(yīng)LED燈，使其處于熄滅狀態(tài)，整個(gè)LED屏幕不亮。當(dāng)彈射裝置（1）彈出小球后，小球在LED屏幕前非接觸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)遮擋紅外線，會(huì)在LED屏幕上留下紅外線陰影，屏幕上的紅外線接收頭會(huì)失去紅外線信號(hào)而點(diǎn)亮LED，這樣就記錄了拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中彈射部分可以在彈射部分固定架（4）移動(dòng)，并可以調(diào)整彈射角度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

下面分別介紹實(shí)驗(yàn)裝置的各部分功能及電路原理。

2. LED顯示屏

2.1 LED屏幕顯示點(diǎn)陣單元

整個(gè)LED顯示屏由多組顯示單元構(gòu)成，每個(gè)顯示單元由兩部分構(gòu)成，紅外線接收頭（1）和發(fā)光二極管（2），如圖2所示。

由LED屏幕顯示點(diǎn)陣單元電路圖（圖3）可見，紅外接收頭接收到紅外線信號(hào)后，其輸出端鏈接到4081與門的輸入端，為低電平，所以無(wú)論4081與門另一輸入端為高電平還是低電平，4081輸出端輸出始終為低電平，因此74HC373八位D鎖存器的輸出端為低電平，LED不能點(diǎn)亮。當(dāng)拋體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，遮擋了紅外線，紅外接收頭（1）輸出高電平，且4081與門另一輸入端輸入的脈沖信號(hào)處于高電平時(shí)，4081與門輸出端輸出高電平，將4081輸出端鏈接到74HC373八位D鎖存器的輸入端，進(jìn)而就能點(diǎn)亮相應(yīng)的LED，同時(shí)將74HC373八位D鎖存器的輸出端鏈接到4078或非門的輸入端，進(jìn)而使74HC373的鎖存使能端置于低電平，進(jìn)而鎖存74HC373的輸出端，相應(yīng)的LED就能一直保持亮的狀態(tài)。其中，之所以將4081與門的其中一個(gè)輸入端加入一個(gè)脈沖信號(hào)，是為了讓LED顯示屏以一定的周期記錄小球的位置，類似于閃光燈的功能，這樣有利于數(shù)據(jù)的分析，加入的脈沖信號(hào)是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生，具體細(xì)節(jié)將在下文詳述。

圖2 LED屏幕顯示點(diǎn)陣單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 LED屏幕顯示點(diǎn)陣電路圖

2.2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器

555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路,因其使用靈活、方便,被廣泛應(yīng)用于脈沖的產(chǎn)生、整形、定時(shí)和延遲等電路中，多諧振蕩器是555應(yīng)用的基本電路,是指電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)(即方波發(fā)生器),只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài),其功能是產(chǎn)生一定頻率和幅度的矩形波信號(hào),其輸出狀態(tài)不斷在“1”和“0”之間變換。

圖5 P端輸出脈沖圖

3.紅外線發(fā)射電路

紅外線發(fā)射電路有CMOS石英晶體多諧振蕩器和紅外發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電路兩部分組成。其中，之所以用CD4069 和石英晶體組成的多諧振蕩器，是因?yàn)槭⒕w最大特點(diǎn)是當(dāng)信號(hào)頻率等于晶體諧振頻率時(shí)，等效值最小，信號(hào)容易通過(guò)，在電路中形成正反饋，因而電路振蕩頻率取決于晶體頻率，與電路中其他元件無(wú)關(guān)，只要更換不同的晶體，就可得到不同的振蕩頻率。由圖6可見，由U1：A及其外圍電路組成38KHz振蕩器，經(jīng)過(guò)U1：B緩沖器緩沖后，MOS三極管Q1驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管D1發(fā)射38KHz紅外線信號(hào)，其中，調(diào)節(jié)電位器就可以改變紅外發(fā)射管的發(fā)射功率。

4.彈射電路

彈射部分采用電磁彈射方式，電磁鐵直接選用市場(chǎng)上銷售的推拉式電磁鐵如圖7所示。其工作原理是通電鐵芯推動(dòng)負(fù)載，斷電靠彈簧復(fù)位。所以該類電磁鐵較適合不固定負(fù)載，類似撞擊的應(yīng)用。

彈射部分驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示，首先，LM317（1）及其外圍電路構(gòu)成可調(diào)直流穩(wěn)壓電路，所以35V直流電經(jīng)過(guò)RV1電位器（2）調(diào)整后，即可在其輸出端產(chǎn)生1—30V直流電壓，并在電壓表（3）上顯示出來(lái)；然后，調(diào)整后的電壓同時(shí)經(jīng)過(guò)繼電器（4）常閉觸點(diǎn)為電解電容C3（5）充電，當(dāng)按下彈射開關(guān)AN（6）時(shí)，繼電器吸合，C3上充滿的電能會(huì)瞬間流過(guò)電磁鐵中的彈射線圈L1（7），完成彈射。調(diào)整電壓可調(diào)整彈射力度，從而控制彈射小球的彈射距離。

圖4 555多諧振蕩器電路圖

圖6 紅外線發(fā)射部分電路圖

圖7 推拉式電磁鐵

圖8 彈射電路圖

5.結(jié)論

本文提出了一種能夠記錄并顯示拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)裝置,其組成電路的設(shè)計(jì)方案及實(shí)施方法能夠基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。該裝置的特點(diǎn)是：(1) LED顯示屏直接顯示拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)記錄了拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀，便于學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，加深對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解；(2)所用拋體電磁鐵彈射部分可調(diào)節(jié)彈射力度，從而實(shí)現(xiàn)靈活控制彈射小球的彈射距離。

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