拋體運動軌跡記錄裝置設計

劉曉丹 于曉艷 哈爾濱師范大學

拋體運動軌跡記錄裝置設計

劉曉丹 于曉艷 哈爾濱師范大學

基于高中物理教科版必修2的平拋運動的探究實驗，本文設計了一種能夠真實記錄拋體運動軌跡的裝置。該裝置主要由拋體電磁彈射部分、紅外線發射部分、紅外線發射裝置固定支架、拋體彈射支架部分以及LED顯示屏組成。在不干擾拋體運動過程的情況下，設計的裝置能夠實現非接觸記錄拋體運動軌跡，并將其在LED顯示屏上顯示，使得拋體運動物理實驗變得形象直觀,有利于學生理解拋體運動規律。

非接觸方式；電磁彈射；LED顯示屏

引言

目前中學物理實驗關于拋體運動軌跡的研究，多數采用閃光照相、撞擊痕跡等記錄方式，實驗器材分散，不能連續記錄拋體的運動軌跡，實驗現象不直觀。為了克服上述實驗的缺點，本文提出一種可真實記錄拋體運動軌跡的裝置，利用LED顯示屏實時記錄拋體運動軌跡，并顯示出來。

1.實驗裝置原理

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

紅外線發射部分（2）連續發出38KHz紅外線信號，照射到LED屏幕（5），LED屏幕有紅外接收頭（其原理在后面詳述），通過電路控制對應LED燈，使其處于熄滅狀態，整個LED屏幕不亮。當彈射裝置（1）彈出小球后，小球在LED屏幕前非接觸運動，運動過程中會遮擋紅外線，會在LED屏幕上留下紅外線陰影，屏幕上的紅外線接收頭會失去紅外線信號而點亮LED，這樣就記錄了拋體的運動軌跡。其中彈射部分可以在彈射部分固定架（4）移動，并可以調整彈射角度。

圖1 實驗裝置結構圖

下面分別介紹實驗裝置的各部分功能及電路原理。

2. LED顯示屏

2.1 LED屏幕顯示點陣單元

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

由LED屏幕顯示點陣單元電路圖（圖3）可見，紅外接收頭接收到紅外線信號后，其輸出端鏈接到4081與門的輸入端，為低電平，所以無論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不能點亮。當拋體在運動過程中，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處于高電平時，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，進而就能點亮相應的LED，同時將74HC373八位D鎖存器的輸出端鏈接到4078或非門的輸入端，進而使74HC373的鎖存使能端置于低電平，進而鎖存74HC373的輸出端，相應的LED就能一直保持亮的狀態。其中，之所以將4081與門的其中一個輸入端加入一個脈沖信號，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，這樣有利于數據的分析，加入的脈沖信號是由555定時器構成的多諧振蕩器產生，具體細節將在下文詳述。

圖2 LED屏幕顯示點陣單元結構圖

圖3 LED屏幕顯示點陣電路圖

2.2 555定時器構成的多諧振蕩器

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

圖5 P端輸出脈沖圖

3.紅外線發射電路

紅外線發射電路有CMOS石英晶體多諧振蕩器和紅外發射管驅動電路兩部分組成。其中，之所以用CD4069 和石英晶體組成的多諧振蕩器，是因為石英晶體最大特點是當信號頻率等于晶體諧振頻率時，等效值最小，信號容易通過，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關，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，經過U1：B緩沖器緩沖后，MOS三極管Q1驅動紅外發射管D1發射38KHz紅外線信號，其中，調節電位器就可以改變紅外發射管的發射功率。

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負載，斷電靠彈簧復位。所以該類電磁鐵較適合不固定負載，類似撞擊的應用。

彈射部分驅動電路如圖8所示，首先，LM317（1）及其外圍電路構成可調直流穩壓電路，所以35V直流電經過RV1電位器（2）調整后，即可在其輸出端產生1—30V直流電壓，并在電壓表（3）上顯示出來；然后，調整后的電壓同時經過繼電器（4）常閉觸點為電解電容C3（5）充電，當按下彈射開關AN（6）時，繼電器吸合，C3上充滿的電能會瞬間流過電磁鐵中的彈射線圈L1（7），完成彈射。調整電壓可調整彈射力度，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 紅外線發射部分電路圖

圖7 推拉式電磁鐵

圖8 彈射電路圖

5.結論

本文提出了一種能夠記錄并顯示拋體運動軌跡的實驗裝置,其組成電路的設計方案及實施方法能夠基本實現預期的實驗效果。該裝置的特點是：(1) LED顯示屏直接顯示拋體的運動軌跡，并實時記錄了拋體的運動軌跡，實驗結果形象直觀，便于學生對平拋運動的學習，加深對平拋運動規律的理解；(2)所用拋體電磁鐵彈射部分可調節彈射力度，從而實現靈活控制彈射小球的彈射距離。

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