可远程控制的重力加速度物理实验系统

摘要

本发明公开了一种可远程控制的重力加速度物理实验系统，该系统包括实验本体、控制通信模块和远程设备，实验本体包括底座、支撑杆、物块、支架传动装置，测量组件和复位组件。复位组件包括发送装置、收集装置和复位传动装置，用于释放物块自由下落，接收下落后的物块，以及使物块恢复至初始位置。控制通信模块与实验本体电性连接，用于控制实验本体进行实验操作，接收和存储实验数据，还用于与远程设备通信。本发明公开的技术方案通过在传统重力加速度实验系统中引入复位组件和控制通信模块，使系统能远程控制，使用户可以在任何地方通过网络进行重力加速度的物理实验操作。

说明书

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，尤其涉及一种可远程控制的重力加速度物理实验系统。

背景技术

重力加速度g是物理学中的一个重要物理量，它受物体所处位置的纬度、海拔以及地质构造等因素影响。因此，不同地区的g值一般都不相同。大学物理实验的g值测量方法有单摆法、自由落体运动法、倾斜气垫导轨法以及平衡法等。

现有技术中有很多对远程实验的服务器和终端设备进行描述，而实验本身的可远程性没有提出过讨论，尤其是大学物理实验错综复杂的实验器材搭建和操作使得远程化出现困难。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种可远程控制的重力加速度物理实验系统，本发明实际要解决的问题是使传统重力加速度物理实验系统可以远程反复操作，方便实验者通过网络操作实体物理实验获取真实实验数据。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种可远程控制的重力加速度物理实验系统，该系统包括实验本体、控制通信模块和远程设备，所述实验本体包括：底座，支撑杆，物块，支架传动装置，测量组件和复位组件。所述支撑杆固定设置在所述底座上，所述支撑杆沿竖直方向设置。所述测量组件至少有两个，每一个测量组件包括一个支架和若干传感器，所述支架设置于所述支撑杆上，所述传感器固定设置在所述支架上，其中至少有一个支架连接于支架传动装置，由支架传动装置带动沿支撑杆移动。所述复位组件与所述控制通信模块电性连接，用于接收指令进行物块复位操作；所述复位组件包括发送装置、收集装置和复位传动装置；所述发送装置设置于所述支撑杆上，用于将物块静止于初始位置，并根据指令释放物块自由下落；所述收集装置设置于所述支撑杆上，所述收集装置设置有向上的开口，用于接收下落物块；所述复位传动装置固置于所述底座上，所述复位传动装置通过移动发送装置、收集装置和物块三种中的至少一种，以实现物块复位。所述控制通信模块与所述实验本体电性连接，用于控制所述实验本体进行实验操作，接收和存储实验数据，还用于与远程设备通信。

优选地，所述支撑杆设置有刻度，每一个所述测量组件还包括一个图像记录仪，各所述图像记录仪固置于各所述支架上，各所述图像记录仪用于图像采集对应所述支架在所述支撑杆的刻度信息，并发送至所述控制通信模块。

具体地，所述收集装置设置底部，用于将下落物块静止在收集装置内。所述发送装置与所述复位传动装置连接，所述复位传动装置带动所述发送装置沿支撑杆移动。

具体地，所述收集装置设置底部，用于将下落物块静止在收集装置内。所述收集装置与所述复位传动装置连接，所述复位传动装置带动所述收集装置沿支撑杆移动。

优选地，所述收集装置底部设置有开口，用于将接收到的物块输出至所述复位传动装置。所述复位传动装置设置进口端和出口端，所述进口端与所述收集装置联通，所述出口端与所述发送装置联通。

具体地，所述复位传动装置包括螺旋滑梯和爬升壁，所述爬升壁与所述螺旋滑梯外沿相切，所述进口端和所述出口端设置于爬升壁上，所述出口端设置凸缘，所述凸缘伸向所述发送装置。

进一步地，该系统还包括监控装置，所述监控装置用于对实验过程进行实时图像采集，获取实验全景数据，将实验全景数据发送至控制通信模块。

优选地，该系统还包括管壳，所述管壳轴线沿竖直方向，所述管壳下端闭合设置于底座上；所述管壳壁由透明材料制成；所述发送装置和所述收集装置设置于管壳内，所述测量组件设置于管壳外；所述管壳设置缺口，所述发送装置或所述收集装置经由缺口与所述复位传动装置连接。

优选地，所述发送装置包括电磁铁组件，所述物块由磁性材料制成。

优选地，所述收集装置还包括缓冲体，所述缓冲体由弹性材料制成或为软性网状结构。

优选地，所述传感器包括光电门，用于计时和/或测速，并用于将获取的数据发送给所述控制通信模块。

优选地，所述支架传动装置包括螺旋丝杆或皮带轮结构。

由上可知，本发明提供的技术方案有益效果是：

1)通过支架传动装置带动其中一个测量组件沿支撑杆移动，解决了自由落体法测重力加速度实验中的距离改变的可远程控制问题；

2)通过传感器测量瞬时速度，使自由落体法测重力加速度实验不需要读取空间信息，简化了系统；

3)通过复位组件不同移动方式实现下落物块初始位置的复位，使重力加速度实验可通过远程反复操作；

4)解决了下落物块的收集问题，使重力加速度实验系统无需人工干预就能实现稳定的远程操作。

附图说明

图1为本发明的一种A型实验本体的结构示意图；

图2为本发明的一种A型实验本体的部分结构放大图；

图3为本发明的B型实验本体的结构示意图；

图4为本发明的C型实验本体的结构示意图；

图5为本发明带管壳的实验本体结构示意图；

图6为本发明一种实施例的电路框图。

附图标记为：

1、底座；2、支撑杆；3、支架传动装置；4、测量组件；5、螺旋滑梯；6、发送装置；7、收集装置；8、螺旋丝杆；9、物块；10、爬升壁；41、第一测量组件；42、第二测量组件；11、管壳；12、凸缘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不用于限制本发明的范围。

本发明公开了一种可远程控制的重力加速度物理实验系统，该系统包括实验本体、控制通信模块和远程设备。

实施例一

请参阅附图1，图1为本发明的A型实验本体的结构示意图，由图可知，实验本体包括：底座1，支撑杆2，物块9，支架传动装置3，测量组件4和复位组件；支撑杆2固定设置在底座1上，支撑杆2沿竖直方向设置。控制通信模块包括主控芯片和逻辑电路板，控制通信模块与实验本体电性连接，用于控制实验本体进行实验操作，接收和存储实验数据，还用于与远程设备通信。

在本发明的实施例中，测量组件4优选为两个，第一测量组件41和第二测量组件42，第一测量组件41靠近支撑杆2顶部。在其他实施例中，测量组件4也可以为多个。在本发明实施例中，支撑杆2设置有刻度，每一个测量组件4包括一个支架、一个图像记录仪和一个传感器，传感器为光电门传感器，分别对应第一测量组件41和第二测量组件42的是第一光电门和第二光电门。图像记录仪和光电门固定设置于支架上。其中，第一测量组件41的支架与支架传动装置3连接，由支架传动装置3带动可沿支撑杆2移动，用以改变两个测量组件之间的垂直距离。在本发明实施例中，支架传动装置3包括皮带轮结构，皮带轮由步进电机驱动转动。在其他实施例中，皮带轮结构也是可以是螺旋丝杆结构。在本发明实施例中，当第一光电门检测到物块9时，触发控制通信模块开始计时，当第二光电门检测到物块9时，触发控制通信模块停止计时，这样，获取物块9经过第一测量组件41和第二测量组件42的时间间隔。在本发明实施例中，上述图像采集仪用于采集对应支架在支撑杆2的刻度信息，以及用于发送信息至控制通信模块。本发明实施例，通过获取第一测量组件41和第二测量组件42之间的垂直距离和物块9经过两个测量组件的时间间隔，计算得到当地的重力加速度。具体计算过程如下：

本实施例中，假设两个测量组件4之间的垂直距离为s,物块9从初始位置下落至第一测量组件41的速度为v

两边除以t,得

令x＝t,

复位组件与控制通信模块电性连接，每次物块9自由落体运动结束，复位组件将自动或经控制通信模块指令控制拾取物块9，将物块9复位至初始位置，等待控制通信模块新的指令释放物块9自由下落。复位组件包括发送装置6、收集装置7和复位传动装置。发送装置6设置于支撑杆2上，用于将物块9静止于初始位置，并根据指令释放物块9自由下落；收集装置7设置于支撑杆2上，收集装置7设置有向上的开口，用于接收下落物块9；复位传动装置固置于底座1上，复位传动装置通过移动发送装置6、收集装置7和物块9三种中的至少一种，以实现物块9复位。

具体地，请参阅附图2，图2为本发明附图1的a,b,和c部分的结构放大图。在本发明实施例中，收集装置7底部设置有开口，用于将接收到的物块9输出至复位传动装置。复位传动装置设置进口端和出口端，进口端与收集装置7联通，出口端与发送装置6联通。具体地，见附图2，复位传动装置包括螺旋滑梯5和爬升壁10，爬升壁10与螺旋滑梯5外沿相切，进口端与收集装置7底部联通，物块9从收集装置7底部输出进入螺旋滑梯5。螺旋滑梯5在爬升壁10的作用下，通过旋转运动将物块9向上移动，见图2的c1和c2。特别地，在本发明实施例中，物块9设置有若干个，分别分布在螺旋滑梯5不同高度处，并且随螺旋滑梯5旋转同步向上移动，这样可以缩短两次实验的时间间隔，节省物块9复位的等待时间，见图2(b)。爬升壁10出口端与发送装置6联通，在本发明实施例中，发送装置6包括电磁铁组件，物块9由磁性物质制成。爬升壁10出口端设置凸缘12，凸缘12伸向电磁铁组件的中心，用以导引物块9复位至初始位置，见图2的a1和a2。

在本发明实施例中，发送装置6也可以包括舵机闸，舵机闸设置于支撑杆2顶部。舵机闸闸门为两个半球形的球壳，当闸门闭合，物块9置于初始位置静止，当闸门开启，释放物块9自由下落。舵机闸与控制通信模块电性连接，用于接收指令控制闸门启合。

在本发明实施例中，收集装置7还包括缓冲体，缓冲体由弹性材料制成或为软性网状结构。

另外，本发明公开的一种可远程控制的重力加速度实验系统还包括监控装置，监控装置用于对实验过程进行实时图像采集，获取实验全景数据，并将实验全景数据发送至控制通信模块。用户通过查看实验全景数据确认获取的实验数据为有效数据，否则弃用数据，并通知管理员对系统进行维护。

本实施例中，主控芯片采用树莓派Raspberry Pi 4B，步进电机选用42BYGH34-401A，舵机型号为MG996R，电磁铁组件选用DC 24V长方形电磁铁，传感器使用对射式光电开关NPN三线常开型，其有效距离为30cm，用于读取支架刻度信息的图像采集仪选用Raspberry Pi Camera V2标准版摄像头。

实施例二

本发明的实施例二是在实施例一的系统结构基础上，删除支撑杆2上的刻度和各测量组件4的图像采集仪，通过增加测量速度的传感器，获取物块9经过各测量组件4的瞬时速度和时间间隔，从而计算重力加速度。相比于实施例一，本发明实施例不需要进行各测量组件4的空间距离的测量，简化了装置，操作更方便。具体计算过程如下：

假设物块9经过第一测量组件41和第二测量组件42的瞬时速度分别为v

v

同理，通过测量不同的t值和瞬时速度差v

实施例三

请参阅附图3，图3为本发明的B型实验本体的结构示意图。本发明实施例是在实施例一或实施例二的基础上进行的改动。具体为，本发明实施例中的收集装置7设置底部，用于将下落物块9静止在收集装置7内，发送装置6与复位传动装置连接，复位传动装置带动发送装置6沿支撑杆2移动。具体地，发送装置6为电磁铁组件，复位传动装置包括螺旋丝杆8，电磁铁组件与螺旋丝杆8螺纹连接，螺旋丝杆8由步进电机驱动，螺旋丝杆8通过旋转带动电磁铁组件沿支撑杆2上下移动。当物块9下落并静止于收集装置7内，电磁铁组件沿支撑杆2下移吸附物块9，并沿支撑杆2上移至支撑杆2顶端，使物块9复位至初始位置。本实施例的复位传动装置也可以为皮带轮结构。本实施例中其他与实施例一结构相同的部分，不再赘述。

实施例四

请参阅附图4，图4为本发明的C型实验本体的结构示意图。本发明实施例是实施例三的基础上进行的改动。收集装置7与复位传动装置连接，复位传动装置带动收集装置7沿支撑杆2移动。当物块9下落并静止于收集装置7内，复位传动装置带动收集装置7和物块9沿支撑杆2上移，将物块9托至发送装置6附近。在本实施例中，发送装置6包括电磁铁组件，电磁铁吸附物块9使物块9复位至初始位置，复位传动装置再将收集装置7下移至支撑杆2底端，等待新的实验进行。本实施例中其他与实施例三结构或功能相同的部分，不再赘述。

实施例五

请参阅附图5，图5为本发明的带管壳11的实验本体结构示意图。本发明实施例的实验本体结构在实施例三的基础上进行改动。具体为，本发明实施例还包括一个管壳11，管壳11固置于底座1上，管壳11轴线沿竖直方向，发送装置6和收集装置7均置于管壳11内，测量组件4设置于管壳11外，管壳11壳壁透明，管壳11壳壁设置有缺口，发送装置6和/或收集装置7经缺口与复位传动装置连接，并由复位传动装置带动沿管壳11上下移动，以完成物块9初始位置复位。实施例中其他与实施例三结构相同的部分，不再赘述。

另外，参阅图6，图6是本发明一种实施例的电路框图，由图可知，控制通信模块以树莓派为核心，树莓派内部包含通讯单元和存储单元，其中，通讯单元用于与远程设备通讯，存储单元用于存储实验数据。其它外围设备均与树莓派连接，其中，电磁铁由通用电源DC24V供电，且由继电器控制，继电器连接树莓派1个通用端口；对射式NPN光电开关由通用电源DC5V供电，信号端连接树莓派1个通用端口；树莓派标准摄像头连接树莓派摄像头CSI接口；舵机连接树莓派1个通用端口，通过占空比控制；步进电机控制器由通用电源DC12V供电，控制端连接树莓派3个通用端口；步进电机连接步进电机控制器，且由步进电机控制器控制。通用电源直接接入市电，分别输出DC24V、DC12V、DC5V；树莓派通过电源适配器Type-C接口接入树莓派电源端。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。