抛体运动轨迹记录装置设计

刘晓丹 于晓艳 哈尔滨师范大学

抛体运动轨迹记录装置设计

刘晓丹 于晓艳 哈尔滨师范大学

基于高中物理教科版必修2的平抛运动的探究实验，本文设计了一种能够真实记录抛体运动轨迹的装置。该装置主要由抛体电磁弹射部分、红外线发射部分、红外线发射装置固定支架、抛体弹射支架部分以及LED显示屏组成。在不干扰抛体运动过程的情况下，设计的装置能够实现非接触记录抛体运动轨迹，并将其在LED显示屏上显示，使得抛体运动物理实验变得形象直观,有利于学生理解抛体运动规律。

非接触方式；电磁弹射；LED显示屏

引言

目前中学物理实验关于抛体运动轨迹的研究，多数采用闪光照相、撞击痕迹等记录方式，实验器材分散，不能连续记录抛体的运动轨迹，实验现象不直观。为了克服上述实验的缺点，本文提出一种可真实记录抛体运动轨迹的装置，利用LED显示屏实时记录抛体运动轨迹，并显示出来。

1.实验装置原理

本文设计的装置主要由五部分组成（图1）：抛体电磁弹射部分（1），红外线发射部分（2），红外线发射装置固定支架（3），抛体电磁弹射支架部分（4），LED显示屏（5）。

红外线发射部分（2）连续发出38KHz红外线信号，照射到LED屏幕（5），LED屏幕有红外接收头（其原理在后面详述），通过电路控制对应LED灯，使其处于熄灭状态，整个LED屏幕不亮。当弹射装置（1）弹出小球后，小球在LED屏幕前非接触运动，运动过程中会遮挡红外线，会在LED屏幕上留下红外线阴影，屏幕上的红外线接收头会失去红外线信号而点亮LED，这样就记录了抛体的运动轨迹。其中弹射部分可以在弹射部分固定架（4）移动，并可以调整弹射角度。

图1 实验装置结构图

下面分别介绍实验装置的各部分功能及电路原理。

2. LED显示屏

2.1 LED屏幕显示点阵单元

整个LED显示屏由多组显示单元构成，每个显示单元由两部分构成，红外线接收头（1）和发光二极管（2），如图2所示。

由LED屏幕显示点阵单元电路图（图3）可见，红外接收头接收到红外线信号后，其输出端链接到4081与门的输入端，为低电平，所以无论4081与门另一输入端为高电平还是低电平，4081输出端输出始终为低电平，因此74HC373八位D锁存器的输出端为低电平，LED不能点亮。当抛体在运动过程中，遮挡了红外线，红外接收头（1）输出高电平，且4081与门另一输入端输入的脉冲信号处于高电平时，4081与门输出端输出高电平，将4081输出端链接到74HC373八位D锁存器的输入端，进而就能点亮相应的LED，同时将74HC373八位D锁存器的输出端链接到4078或非门的输入端，进而使74HC373的锁存使能端置于低电平，进而锁存74HC373的输出端，相应的LED就能一直保持亮的状态。其中，之所以将4081与门的其中一个输入端加入一个脉冲信号，是为了让LED显示屏以一定的周期记录小球的位置，类似于闪光灯的功能，这样有利于数据的分析，加入的脉冲信号是由555定时器构成的多谐振荡器产生，具体细节将在下文详述。

图2 LED屏幕显示点阵单元结构图

图3 LED屏幕显示点阵电路图

2.2 555定时器构成的多谐振荡器

555定时器是一种中规模集成电路,因其使用灵活、方便,被广泛应用于脉冲的产生、整形、定时和延迟等电路中，多谐振荡器是555应用的基本电路,是指电路没有稳定状态(即方波发生器),只有两个暂稳态,其功能是产生一定频率和幅度的矩形波信号,其输出状态不断在“1”和“0”之间变换。

图5 P端输出脉冲图

3.红外线发射电路

红外线发射电路有CMOS石英晶体多谐振荡器和红外发射管驱动电路两部分组成。其中，之所以用CD4069 和石英晶体组成的多谐振荡器，是因为石英晶体最大特点是当信号频率等于晶体谐振频率时，等效值最小，信号容易通过，在电路中形成正反馈，因而电路振荡频率取决于晶体频率，与电路中其他元件无关，只要更换不同的晶体，就可得到不同的振荡频率。由图6可见，由U1：A及其外围电路组成38KHz振荡器，经过U1：B缓冲器缓冲后，MOS三极管Q1驱动红外发射管D1发射38KHz红外线信号，其中，调节电位器就可以改变红外发射管的发射功率。

4.弹射电路

弹射部分采用电磁弹射方式，电磁铁直接选用市场上销售的推拉式电磁铁如图7所示。其工作原理是通电铁芯推动负载，断电靠弹簧复位。所以该类电磁铁较适合不固定负载，类似撞击的应用。

弹射部分驱动电路如图8所示，首先，LM317（1）及其外围电路构成可调直流稳压电路，所以35V直流电经过RV1电位器（2）调整后，即可在其输出端产生1—30V直流电压，并在电压表（3）上显示出来；然后，调整后的电压同时经过继电器（4）常闭触点为电解电容C3（5）充电，当按下弹射开关AN（6）时，继电器吸合，C3上充满的电能会瞬间流过电磁铁中的弹射线圈L1（7），完成弹射。调整电压可调整弹射力度，从而控制弹射小球的弹射距离。

图4 555多谐振荡器电路图

图6 红外线发射部分电路图

图7 推拉式电磁铁

图8 弹射电路图

5.结论

本文提出了一种能够记录并显示抛体运动轨迹的实验装置,其组成电路的设计方案及实施方法能够基本实现预期的实验效果。该装置的特点是：(1) LED显示屏直接显示抛体的运动轨迹，并实时记录了抛体的运动轨迹，实验结果形象直观，便于学生对平抛运动的学习，加深对平抛运动规律的理解；(2)所用抛体电磁铁弹射部分可调节弹射力度，从而实现灵活控制弹射小球的弹射距离。

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