專利名稱：一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的 拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
[0002]為使理工科大學(xué)生加深對(duì)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性原理的認(rèn)識(shí)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中安排學(xué)生進(jìn) 行對(duì)拋射體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)通常是以方格紙為背景拋射一小球，采用照相拍攝小 球運(yùn)動(dòng)軌跡，然后利用照片上小球運(yùn)動(dòng)軌跡的瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)，包括X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)和在 該位置的時(shí)間t，分別寫出它在X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)方程，來探索小球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在 使用膠卷照相機(jī)時(shí)代，為拍攝小球運(yùn)動(dòng)獲得照片上運(yùn)動(dòng)軌跡的瞬時(shí)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(jī)快門，借助閃頻儀以一系列等時(shí)間間隔的 多次閃光對(duì)其進(jìn)行拍攝，這樣，在同一張底片上，形成小球運(yùn)動(dòng)軌跡的若干個(gè)瞬時(shí)位置 圖象；也有讓運(yùn)動(dòng)小球在燈光照明下，用等時(shí)間間隔開啟快門進(jìn)行拍攝，獲得底片上小 球運(yùn)動(dòng)軌跡的若干個(gè)瞬時(shí)位置圖象。在數(shù)碼照相時(shí)代，采用的方法是應(yīng)用數(shù)碼照相機(jī)的 攝像功能，拍攝拋射小球的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡中的若干個(gè)瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)。用上述幾種方法均可得到小球運(yùn)動(dòng)過程中的 若干個(gè)瞬時(shí)位置，測(cè)量它在X方向和Y方向的位置坐標(biāo)，但是對(duì)每?jī)尚∏蛑g的運(yùn)動(dòng)時(shí) 間無法測(cè)量，只能以間接形式表示其時(shí)間量，前者以閃頻儀的閃光頻率來表征時(shí)間，如 閃頻頻率為25HZ，則獲得底片上兩相鄰小球間隔時(shí)間推斷為1/25秒=0.04秒；后者則 以數(shù)碼照相機(jī)說明書所列每秒攝像幀數(shù)為表征時(shí)間依據(jù)，如說明書稱攝像每秒30幀，則 認(rèn)定兩相鄰小球間隔時(shí)間為1/30秒=0.033秒。顯然，這樣的時(shí)間值依據(jù)不夠充分，非 實(shí)驗(yàn)操作人親自測(cè)量得到，缺乏說服力，而且該時(shí)間值有一定誤差。發(fā)明內(nèi)容[0003]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體 運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。[0004]可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置包括拍攝燈箱、玻璃面板、拋射 管、光電門、時(shí)間顯示器、數(shù)碼照相機(jī)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(shí)間顯示器，數(shù)碼照相機(jī)固定在三腳架上，鏡頭面對(duì)拍攝燈箱。[0005]所述的時(shí)間顯示器包括石英晶體振蕩器、多個(gè)分頻器、第一計(jì)數(shù)器、第二計(jì)數(shù) 器、4個(gè)第一級(jí)顯示LED和4個(gè)第二級(jí)顯示LED ；石英晶體振蕩器、分頻器、第一計(jì)數(shù) 器和第二計(jì)數(shù)器依次連接，第一計(jì)數(shù)器和第一級(jí)顯示LED連接，第二計(jì)數(shù)器和第二級(jí)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(gè)分頻器10將它分 成頻率為IOOHz的脈沖，輸入第一級(jí)8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第一級(jí)顯示的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示為0.01秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，LED點(diǎn)亮用8421碼制讀取。 當(dāng)?shù)谝患?jí)計(jì)數(shù)器輸入9個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，產(chǎn)生一進(jìn)位脈沖輸入第二級(jí)8421碼計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù) 器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第二級(jí)顯示的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示為0.1秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，其LED 點(diǎn)亮用8421碼制讀取。[0006]所述的拋射管為一不對(duì)稱U形空心管，管內(nèi)徑15 20mm，管兩端高度差大于 0.5 米。[0007]所述的拍攝燈箱內(nèi)按有多根日光燈。[0008]所述的玻璃面板為印制有黑色方格坐標(biāo)的毛玻璃板。[0009]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(duì)，距離15 20mm,光電門輸出信號(hào)線與時(shí)間顯示器連接。[0010]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是[0011]1)在拍攝小球整個(gè)拋射運(yùn)動(dòng)過程中可定格小球瞬時(shí)位置和顯示小球在該位置的 時(shí)間，計(jì)時(shí)精確度可達(dá)0.01秒；[0012]2)由于采用背光源照明，拍攝不受環(huán)境亮度影響，相機(jī)曝光時(shí)間短，拍攝圖象 清晰、無拖影、對(duì)比度高，為后期處理工作帶來極大方便；[0013]3)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，省去了傳統(tǒng)計(jì)時(shí)器的譯碼電路和七段LED數(shù)碼管盡可能縮短 時(shí)間計(jì)數(shù)信號(hào)的傳輸路程，提高了時(shí)間測(cè)試精度，同時(shí)充分利用了 LED余輝時(shí)間短的特 點(diǎn)，避免了在顯示毫秒時(shí)間時(shí)數(shù)碼管七段筆劃的不完整顯示；[0014]4)制造成本低廉，操作方便，容易掌握，可靠性高。


[0015]圖1是可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；[0016]圖2是本實(shí)用新型的時(shí)間顯示器外形圖；[0017]圖3是本實(shí)用新型的時(shí)間顯示器電路方框圖；[0018]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例截取視頻示意圖之一；[0019]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例截取視頻示意圖之二 ；[0020]圖中拋射管1、光電門2、拍攝燈箱3、玻璃面板4、時(shí)間顯示器5、復(fù)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(jì)數(shù)器11、第一級(jí)顯示 LED 12、第二計(jì)數(shù)器13、第二級(jí)顯示LED14。
具體實(shí)施方式
[0021]
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述[0022]如圖1所示，可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置包括拍攝燈箱3、玻 璃面板4、拋射管1、光電門2、時(shí)間顯示器5、數(shù)碼照相機(jī)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(shí)間顯示器4，數(shù)碼照相機(jī)固定在三腳架上，鏡 頭面對(duì)拍攝燈箱3。所述的拋射管為一不對(duì)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(biāo)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(duì)，距離15 20mm，光電門輸出信號(hào)線與時(shí)間顯示器連接。數(shù)碼照相機(jī)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(shí)驗(yàn)操作時(shí)，打開時(shí)間顯示器5的電源開關(guān)7，按復(fù)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(jī)置“攝像”功能，開啟相機(jī)，開始拍攝，同 時(shí)將金屬小球投入拋射管1入口，當(dāng)小球從低端管口射出經(jīng)過光電門時(shí)，光電門將信號(hào) 送至?xí)r間顯示器，時(shí)間顯示器5立即被啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)，相機(jī)拍攝的視頻記錄了以方格坐 標(biāo)為背景的小球拋射運(yùn)動(dòng)全過程，包括時(shí)間顯示器顯示的小球在運(yùn)動(dòng)全過程中各個(gè)位置 的時(shí)間。[0023]拍攝完成后，實(shí)驗(yàn)操作人員進(jìn)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(shí)間顯示器顯示的時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡中的若干個(gè)瞬時(shí)位置圖，借助方格坐標(biāo)讀得小球在每一瞬時(shí)位置的X、Y坐 標(biāo)，實(shí)驗(yàn)操作人根據(jù)測(cè)得小球的X、Y坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)時(shí)間t，經(jīng)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算寫出小球在 X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)方程。[0024]如圖2、3所示，時(shí)間顯示器5包括石英晶體振蕩器9、多個(gè)分頻器10、第一計(jì) 數(shù)器11、第二計(jì)數(shù)器13、4個(gè)第一級(jí)顯示LED 12和4個(gè)第二級(jí)顯示LED14;石英晶體 振蕩器9、分頻器10、第一計(jì)數(shù)器11和第二計(jì)數(shù)器13依次連接，第一計(jì)數(shù)器11和第一 級(jí)顯示LED 12連接，第二計(jì)數(shù)器13和第二級(jí)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(gè)分頻器10將它分成頻率為IOOHz的脈沖，輸入第一級(jí) 8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第一級(jí)顯示的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示 為0.01秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，LED點(diǎn)亮用8421碼制讀取。當(dāng)?shù)谝患?jí)計(jì)數(shù)器輸入9個(gè)計(jì)數(shù)脈沖 時(shí)，產(chǎn)生一進(jìn)位脈沖輸入第二級(jí)8421碼計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第二級(jí)顯示的 4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示為0.1秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，其LED點(diǎn)亮用8421碼制讀取。[0025]圖2中，時(shí)間顯示器5的外形圖的面板上有上、下兩行LED，每行四個(gè)，用以實(shí) 時(shí)顯示小球在每一瞬時(shí)位置的時(shí)間。每行的四個(gè)LED點(diǎn)亮系按8421碼讀數(shù)，上行為0.1 秒數(shù)量級(jí)時(shí)間顯示，故上行LED點(diǎn)亮表示時(shí)間為0.1秒X 8421碼讀數(shù)；下行為0.01秒數(shù) 量級(jí)時(shí)間顯示，下行LED點(diǎn)亮表示時(shí)間為0.01秒X8421碼讀數(shù)。因此，小球在某一瞬 時(shí)位置的時(shí)間t =上行LED點(diǎn)亮表示時(shí)間(0.1秒X 8421碼讀數(shù))+下行LED點(diǎn)亮表示時(shí) 間(0.01秒X 8421碼讀數(shù))。[0026]圖3中，時(shí)間顯示器由石英晶體振蕩器、多個(gè)分頻器、兩個(gè)計(jì)數(shù)器和8個(gè)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(gè)分頻器分成頻率為IOOHz的 脈沖即1脈沖/0.01秒，輸入第一級(jí)8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第一 級(jí)顯示的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示為0.01秒數(shù)量級(jí)時(shí)間顯示，當(dāng)計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端輸出 為0001，則與“1”碼連接的LED點(diǎn)亮，表示為1X0.01秒=0.01秒，當(dāng)計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出 端輸出為0010，則與“2”碼連接的LED點(diǎn)亮，表示為2X0.01秒=0.02秒，當(dāng)計(jì)數(shù)器4 個(gè)輸出端輸出為0011，則與“1”、“2”碼連接的LED同時(shí)點(diǎn)亮，表示為(1+2)X0.01 秒=0.03秒，......以此類推。當(dāng)?shù)谝患?jí)計(jì)數(shù)器輸入9個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，輸出一進(jìn)位脈沖輸入第二級(jí)8421碼計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器4個(gè)輸出端與構(gòu)成第二級(jí)顯示的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯 示為0.1秒數(shù)量級(jí)時(shí)間顯示，其LED點(diǎn)亮與表示時(shí)間關(guān)系與上相同。[0027]如圖4所示，圖中顯示了小球在背景坐標(biāo)中的位置，可用X、Y坐標(biāo)表示，同時(shí)5顯示了小球拋射在該位置的時(shí)間，時(shí)間顯示器的LED上行第4個(gè)點(diǎn)亮，下行第3個(gè)點(diǎn)亮， 表示小球達(dá)到該位置經(jīng)過的時(shí)間為1X0.1秒+2X0.01秒=0.12秒。[0028]如圖5所示，圖中顯示了小球在背景坐標(biāo)中的位置，可用X、Y坐標(biāo)表示，同時(shí) 顯示了小球拋射在該位置的時(shí)間，時(shí)間顯示器的LED上行第4個(gè)點(diǎn)亮，下行第2和第3 個(gè)點(diǎn)亮，表示小球達(dá)到該位置經(jīng)過的時(shí)間為1X0.1秒+(4+2) X 0.01秒=0.16秒，兩幀圖 對(duì)比，可知小球從圖4位置拋射到本幀圖位置經(jīng)歷的時(shí)間為0.16秒-0.12秒=0.04秒。[0029]照相機(jī)在拍攝小球運(yùn)動(dòng)過程中不但可精確顯示小球瞬時(shí)位置X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)， 還可實(shí)時(shí)顯示該位置的時(shí)間t，精度達(dá)0.01秒。[0030]應(yīng)予說明，可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)時(shí)精度為0.01秒， 如有需要也可以將計(jì)時(shí)精度提高到0.001秒，只是在圖3時(shí)間顯示器電路方框圖中增加一 級(jí)8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和與之相連接的4個(gè)LED。這樣的變換落在本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)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(shí)間顯示器(5)、數(shù)碼照相機(jī)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)面設(shè)有光電門(2)，拍攝燈箱(3)右上方位置嵌入安裝時(shí)間顯示器(4)，數(shù)碼照相機(jī)固定在三腳架上，鏡頭面對(duì)拍攝燈箱(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，其特 征在于所述的時(shí)間顯示器(4)包括石英晶體振蕩器(9)、多個(gè)分頻器(10)、第一計(jì)數(shù)器 (11)、第二計(jì)數(shù)器(13)、4個(gè)第一級(jí)顯示LED(12)和4個(gè)第二級(jí)顯示LED(14)；石英晶 體振蕩器(9)、分頻器(10)、第一計(jì)數(shù)器(11)和第二計(jì)數(shù)器(13)依次連接，第一計(jì)數(shù) 器(11)和第一級(jí)顯示LED(12)連接，第二計(jì)數(shù)器(13)和第二級(jí)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(gè)分頻器(10)將它分成頻率為 IOOHz的脈沖，輸入第一級(jí)8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，第一計(jì)數(shù)器(11)中的4個(gè)輸出端與 第一級(jí)顯示LED(12)中的4個(gè)LED連接，該級(jí)顯示為0.01秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，LED點(diǎn)亮用 8421碼制讀取，當(dāng)?shù)谝挥?jì)數(shù)器(11)輸入9個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，產(chǎn)生一進(jìn)位脈沖輸入第二計(jì)數(shù) 器(13)，第二計(jì)數(shù)器(13)中的4個(gè)輸出端與第二級(jí)顯示LED(14)中的4個(gè)LED連接， 該級(jí)顯示為0.1秒數(shù)量級(jí)時(shí)間，其LED點(diǎn)亮用8421碼制讀取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征 在于所述的拋射管為一不對(duì)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(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征 在于所述的拍攝燈箱內(nèi)設(shè)有多根日光燈。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征 在于所述的玻璃面板為印制有黑色方格坐標(biāo)的毛玻璃板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)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(duì)，距離15 20mm， 光電門輸出信號(hào)線與時(shí)間顯示器連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種可實(shí)時(shí)時(shí)間顯示的拋射體運(yùn)動(dòng)研究的實(shí)驗(yàn)裝置。它包括拍攝燈箱、玻璃面板、拋射管、光電門、時(shí)間顯示器、數(shù)碼照相機(jī)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(shí)間顯示器，數(shù)碼照相機(jī)固定在三腳架上，鏡頭面對(duì)拍攝燈箱。當(dāng)小球射出拋射管低端管口經(jīng)過光電門時(shí)，時(shí)間顯示器自動(dòng)開始計(jì)時(shí)，數(shù)碼相機(jī)拍攝以方格坐標(biāo)為背景的小球整個(gè)拋射運(yùn)動(dòng)過程視頻。獲得的圖像清晰，讀取X、Y坐標(biāo)正確，計(jì)時(shí)精度可達(dá)0.01秒；拍攝不受環(huán)境亮度影響；相機(jī)曝光時(shí)間短，拍攝圖像無拖影；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，為研究拋射體運(yùn)動(dòng)提供了極為便利的實(shí)驗(yàn)條件。
文檔編號(hào)G09B23/10GK201804474SQ201020257980
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)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, 顧智企 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院