專利名稱：可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及拋射體運動研究的實驗裝置，尤其涉及一種可實時時間顯示的拋射體 運動研究的實驗裝置。
背景技術(shù)：
為使理工科大學生加深對運動獨立性原理的認識，大學物理實驗中安排學生進行 對拋射體運動的實驗研究，實驗通常是以方格紙為背景拋射一小球，采用照相拍攝小球運 動軌跡，然后利用照片上小球運動軌跡的瞬時位置數(shù)據(jù)，包括X坐標、Y坐標和在該位置的 時間t，分別寫出它在X方向和Y方向的運動方程，來探索小球的運動規(guī)律。在使用膠卷照 相機時代，為拍攝小球運動獲得照片上運動軌跡的瞬時位置是采用多次曝光法，即在黑暗 環(huán)境中拋射一小球，打開照相機快門，借助閃頻儀以一系列等時間間隔的多次閃光對其進 行拍攝，這樣，在同一張底片上，形成小球運動軌跡的若干個瞬時位置圖象；也有讓運動小 球在燈光照明下，用等時間間隔開啟快門進行拍攝，獲得底片上小球運動軌跡的若干個瞬 時位置圖象。在數(shù)碼照相時代，采用的方法是應(yīng)用數(shù)碼照相機的攝像功能，拍攝拋射小球的 運動全過程，然后，用截圖軟件截取視頻中的一幀幀圖，再用圖像處理軟件將每幀圖上的小 球粘貼到同一張圖的相應(yīng)位置上，從而在電腦屏幕上獲得小球運動軌跡中的若干個瞬時位 置數(shù)據(jù)。用上述幾種方法均可得到小球運動過程中的若干個瞬時位置，測量它在X方向和 Y方向的位置坐標，但是對每兩小球之間的運動時間無法測量，只能以間接形式表示其時間 量，前者以閃頻儀的閃光頻率來表征時間，如閃頻頻率為25HZ，則獲得底片上兩相鄰小球間 隔時間推斷為1/25秒=0. 04秒；后者則以數(shù)碼照相機說明書所列每秒攝像幀數(shù)為表征時 間依據(jù)，如說明書稱攝像每秒30幀，則認定兩相鄰小球間隔時間為1/30秒=0. 033秒。顯 然，這樣的時間值依據(jù)不夠充分，非實驗操作人親自測量得到，缺乏說服力，而且該時間值 有一定誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實時時間顯示的拋射體運動研 究的實驗裝置。可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置包括拍攝燈箱、玻璃面板、拋射管、 光電門、時間顯示器、數(shù)碼照相機和三腳架，玻璃面板安裝在拍攝燈箱正面，在拍攝燈箱左 邊框上固定拋射管，拋射管低端管口兩側(cè)面按有光電門，拍攝燈箱右上方位置嵌入安裝時 間顯示器，數(shù)碼照相機固定在三腳架上，鏡頭面對拍攝燈箱。所述的時間顯示器包括石英晶體振蕩器、多個分頻器、第一計數(shù)器、第二計數(shù)器、4 個第一級顯示LED和4個第二級顯示LED ；石英晶體振蕩器、分頻器、第一計數(shù)器和第二計 數(shù)器依次連接，第一計數(shù)器和第一級顯示LED連接，第二計數(shù)器和第二級顯示LED連接；石 英晶體振蕩器輸出振蕩頻率為幾十MHz的脈沖，多個分頻器10將它分成頻率為IOOHz的脈 沖，輸入第一級8421碼十進制計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第一級顯示的4個LED連
3接，該級顯示為0. 01秒數(shù)量級時間，LED點亮用8421碼制讀取。當?shù)谝患売嫈?shù)器輸入9個 計數(shù)脈沖時，產(chǎn)生一進位脈沖輸入第二級8421碼計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第二級 顯示的4個LED連接，該級顯示為0. 1秒數(shù)量級時間，其LED點亮用8421碼制讀取。所述的拋射管為一不對稱U形空心管，管內(nèi)徑15 20mm，管兩端高度差大于0. 5 米。所述的拍攝燈箱內(nèi)按有多根日光燈。所述的玻璃面板為印制有黑色方格坐標的毛玻璃板。所述的光電門由發(fā)光二極管和光敏元件組成，兩元件面面相對，距離15 20mm， 光電門輸出信號線與時間顯示器連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是1)在拍攝小球整個拋射運動過程中可定格小球瞬時位置和顯示小球在該位置的 時間，計時精確度可達0.01秒；2)由于采用背光源照明，拍攝不受環(huán)境亮度影響，相機曝光時間短，拍攝圖象清 晰、無拖影、對比度高，為后期處理工作帶來極大方便；3)裝置結(jié)構(gòu)簡單，省去了傳統(tǒng)計時器的譯碼電路和七段LED數(shù)碼管盡可能縮短時 間計數(shù)信號的傳輸路程，提高了時間測試精度，同時充分利用了 LED余輝時間短的特點，避 免了在顯示毫秒時間時數(shù)碼管七段筆劃的不完整顯示；4)制造成本低廉，操作方便，容易掌握，可靠性高。


圖1是可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的時間顯示器外形圖；圖3是本發(fā)明的時間顯示器電路方框圖；圖4是本發(fā)明實施例截取視頻示意圖之一；圖5是本發(fā)明實施例截取視頻示意圖之二 ；圖中拋射管1、光電門2、拍攝燈箱3、玻璃面板4、時間顯示器5、復位按鈕6、電源 開關(guān)7、LED燈8、石英晶體振蕩器9、分頻器10、第一計數(shù)器11、第一級顯示LED 12、第二計 數(shù)器13、第二級顯示LED14。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述如圖1所示，可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置包括拍攝燈箱3、玻璃 面板4、拋射管1、光電門2、時間顯示器5、數(shù)碼照相機和三腳架，玻璃面板4安裝在拍攝燈 箱3正面，在拍攝燈箱3左邊框上固定拋射管1，拋射管1低端管口兩側(cè)面按有光電門2，拍 攝燈箱3右上方位置嵌入安裝時間顯示器4，數(shù)碼照相機固定在三腳架上，鏡頭面對拍攝燈 箱3。所述的拋射管為一不對稱U形空心管，管內(nèi)徑15 20mm，管兩端高度差大于0. 5米。 拍攝燈箱內(nèi)按有多根日光燈。玻璃面板為印制有黑色方格坐標的毛玻璃板。光電門由發(fā)光 二極管和光敏元件組成，兩元件面面相對，距離15 20mm，光電門輸出信號線與時間顯示 器連接。數(shù)碼照相機和三腳架采用現(xiàn)有技術(shù)常用的連接和放置，圖中末畫出。實驗操作時，
4打開時間顯示器5的電源開關(guān)7，按復位按鈕6，使LED燈8全部處熄滅狀態(tài)，然后，將數(shù)碼 照相機置“攝像”功能，開啟相機，開始拍攝，同時將金屬小球投入拋射管1入口，當小球從 低端管口射出經(jīng)過光電門時，光電門將信號送至時間顯示器，時間顯示器5立即被啟動開 始計時，相機拍攝的視頻記錄了以方格坐標為背景的小球拋射運動全過程，包括時間顯示 器顯示的小球在運動全過程中各個位置的時間。拍攝完成后，實驗操作人員進行后期處理工作，將方才拍攝的視頻存入電腦，用截 圖軟件截取視頻中出現(xiàn)小球的一幀幀圖，并記錄每幀圖中時間顯示器顯示的時間t，再用圖 像處理軟件將每幀圖上的小球粘貼到同一張圖的相應(yīng)位置上，在電腦屏幕上獲得小球運動 軌跡中的若干個瞬時位置圖，借助方格坐標讀得小球在每一瞬時位置的X、Y坐標，實驗操 作人根據(jù)測得小球的X、Y坐標和對應(yīng)時間t，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和計算寫出小球在X方向和Y方 向的運動方程。如圖2、3所示，時間顯示器5包括石英晶體振蕩器9、多個分頻器10、第一計數(shù)器 11、第二計數(shù)器13、4個第一級顯示LED 12和4個第二級顯示LED14 ；石英晶體振蕩器9、分 頻器10、第一計數(shù)器11和第二計數(shù)器13依次連接，第一計數(shù)器11和第一級顯示LED 12連 接，第二計數(shù)器13和第二級顯示LED14連接；石英晶體振蕩器9輸出振蕩頻率為幾十MHz 的脈沖，多個分頻器10將它分成頻率為IOOHz的脈沖，輸入第一級8421碼十進制計數(shù)器， 計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第一級顯示的4個LED連接，該級顯示為0. 01秒數(shù)量級時間，LED 點亮用8421碼制讀取。當?shù)谝患売嫈?shù)器輸入9個計數(shù)脈沖時，產(chǎn)生一進位脈沖輸入第二級 8421碼計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第二級顯示的4個LED連接，該級顯示為0. 1秒數(shù) 量級時間，其LED點亮用8421碼制讀取。圖2中，時間顯示器5的外形圖的面板上有上、下兩行LED，每行四個，用以實時顯 示小球在每一瞬時位置的時間。每行的四個LED點亮系按8421碼讀數(shù)，上行為0. 1秒數(shù)量 級時間顯示，故上行LED點亮表示時間為0. 1秒X8421碼讀數(shù)；下行為0. 01秒數(shù)量級時 間顯示，下行LED點亮表示時間為0. 01秒X8421碼讀數(shù)。因此，小球在某一瞬時位置的 時間t =上行LED點亮表示時間(0. 1秒X8421碼讀數(shù))+下行LED點亮表示時間(0. 01 秒X 8421碼讀數(shù))。圖3中，時間顯示器由石英晶體振蕩器、多個分頻器、兩個計數(shù)器和8個LED組成， 石英晶體振蕩器輸出頻率為幾十MHz的脈沖，經(jīng)過多個分頻器分成頻率為IOOHz的脈沖即1 脈沖/0. 01秒，輸入第一級8421碼十進制計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第一級顯示的 4個LED連接，該級顯示為0. 01秒數(shù)量級時間顯示，當計數(shù)器4個輸出端輸出為0001，則與 “1”碼連接的LED點亮，表示為1X0. 01秒=0. 01秒，當計數(shù)器4個輸出端輸出為0010，則 與“2”碼連接的LED點亮，表示為2X0. 01秒=0. 02秒，當計數(shù)器4個輸出端輸出為0011，
則與“1”、“2”碼連接的LED同時點亮，表示為(1+2) X0. 01秒=0.03秒，......以此類推。
當?shù)谝患売嫈?shù)器輸入9個計數(shù)脈沖時，輸出一進位脈沖輸入第二級8421碼計數(shù)器，計數(shù)器 4個輸出端與構(gòu)成第二級顯示的4個LED連接，該級顯示為0. 1秒數(shù)量級時間顯示，其LED 點亮與表示時間關(guān)系與上相同。如圖4所示，圖中顯示了小球在背景坐標中的位置，可用X、Y坐標表示，同時顯示 了小球拋射在該位置的時間，時間顯示器的LED上行第4個點亮，下行第3個點亮，表示小 球達到該位置經(jīng)過的時間為1X0. 1秒+2X0. 01秒=0. 12秒。
如圖5所示，圖中顯示了小球在背景坐標中的位置，可用X、Y坐標表示，同時顯示 了小球拋射在該位置的時間，時間顯示器的LED上行第4個點亮，下行第2和第3個點亮， 表示小球達到該位置經(jīng)過的時間為1X0. 1秒+(4+2) X0. 01秒=0. 16秒，兩幀圖對比，可 知小球從圖4位置拋射到本幀圖位置經(jīng)歷的時間為0. 16秒-0. 12秒=0. 04秒。照相機在拍攝小球運動過程中不但可精確顯示小球瞬時位置X坐標和Y坐標，還 可實時顯示該位置的時間t，精度達0. 01秒。應(yīng)予說明，可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置計時精度為0. 01秒，如 有需要也可以將計時精度提高到0. 001秒，只是在圖3時間顯示器電路方框圖中增加一級 8421碼十進制計數(shù)器和與之相連接的4個LED。這樣的變換落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征在于包括拍攝燈箱(3)、玻璃面板(4)、拋射管(1)、光電門(2)、時間顯示器(5)、數(shù)碼照相機和三腳架，玻璃面板(4)安裝在拍攝燈箱(3)正面，在拍攝燈箱(3)左邊框上固定拋射管(1)，拋射管(1)低端管口兩側(cè)面按有光電門(2)，拍攝燈箱(3)右上方位置嵌入安裝時間顯示器(4)，數(shù)碼照相機固定在三腳架上，鏡頭面對拍攝燈箱(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征 在于所述的時間顯示器(4)包括石英晶體振蕩器(9)、多個分頻器(10)、第一計數(shù)器(11)、 第二計數(shù)器(13)、4個第一級顯示LED(12)和4個第二級顯示LED(14)；石英晶體振蕩器 (9)、分頻器(10)、第一計數(shù)器(11)和第二計數(shù)器(13)依次連接，第一計數(shù)器(11)和第一 級顯示LED(12)連接，第二計數(shù)器(13)和第二級顯示LED(14)連接；石英晶體振蕩器(9) 輸出振蕩頻率為幾十MHz的脈沖，多個分頻器(10)將它分成頻率為IOOHz的脈沖，輸入第 一級8421碼十進制計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第一級顯示(12)的4個LED連接，該 級顯示為0. 01秒數(shù)量級時間，LED點亮用8421碼制讀取。當?shù)谝患売嫈?shù)器輸入9個計數(shù) 脈沖時，產(chǎn)生一進位脈沖輸入第二級8421碼計數(shù)器，計數(shù)器4個輸出端與構(gòu)成第二級顯示 (13)的4個LED連接，該級顯示為0. 1秒數(shù)量級時間，其LED點亮用8421碼制讀取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征 在于所述的拋射管為一不對稱U形空心管，管內(nèi)徑15 20mm，管兩端高度差大于0. 5米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征 在于所述的拍攝燈箱內(nèi)按有多根日光燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征 在于所述的玻璃面板為印制有黑色方格坐標的毛玻璃板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置，其特征 在于所述的光電門由發(fā)光二極管和光敏元件組成，兩元件面面相對，距離15 20mm，光電 門輸出信號線與時間顯示器連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可實時時間顯示的拋射體運動研究的實驗裝置。它包括拍攝燈箱、玻璃面板、拋射管、光電門、時間顯示器、數(shù)碼照相機和三腳架，玻璃面板安裝在拍攝燈箱正面，在拍攝燈箱左邊框上固定拋射管，拋射管低端管口兩側(cè)面安有光電門，拍攝燈箱右上方位置嵌入安裝時間顯示器，數(shù)碼照相機固定在三腳架上，鏡頭面對拍攝燈箱。當小球射出拋射管低端管口經(jīng)過光電門時，時間顯示器自動開始計時，數(shù)碼相機拍攝以方格坐標為背景的小球整個拋射運動過程視頻。獲得的圖象清晰，讀取X、Y坐標正確，計時精度可達0.01秒；拍攝不受環(huán)境亮度影響；相機曝光時間短，拍攝圖象無拖影；裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，為研究拋射體運動提供了極為便利的實驗條件。
文檔編號G09B23/10GK101901560SQ20101022605
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者夏姣貞, 蔣衛(wèi)建, 陳一新, 顧智企 申請人:浙江大學