專利名稱：電子模擬橫波演示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種物理教學(xué)所用的演示實驗裝置。
目前物理教學(xué)使用的橫波演示器是機械式的。它主要通過搖柄帶動16個同軸的偏心輪轉(zhuǎn)動，分別使靠在偏心輪上的16根水平桿上下振動，因分布在面板上的各桿端點振動的相位不同，所以可以模擬橫波的形成和傳播過程。整個裝置安裝在一個木箱內(nèi)，其體積較大，且演示時，必須由教師手搖操作。
本實用新型的目的是提供一種直觀性好、體積小、便于懸掛、使用方便、能自動顯示橫波形成和傳播過程的電子式演示實驗裝置。
本實用新型由以發(fā)光二極管為質(zhì)點位置指示元件的面板及控制這些發(fā)光二極管以不同相位順次發(fā)光的電子線路組成。演示的波形圖由分布在面板上的以不同相位作簡諧振動的多個質(zhì)點組成。在它的顯示面板上分布著若干組發(fā)光二極管，分別代表彈性媒質(zhì)中的若干個質(zhì)點，每組的五個發(fā)光二極管表示每個質(zhì)點在振動過程中的五個位置。當一組的五個發(fā)光二極管順次循環(huán)點亮?xí)r，表示一個質(zhì)點的振動過程。因各組發(fā)光二極管點亮的相位不同，某一瞬時，這若干個質(zhì)點所處位置的發(fā)光二極管同時點亮，即可以表示該時刻的波形圖?？刂泼姘迳细鹘M發(fā)光二極管以不同相位順次發(fā)光的電子線路其主要單元為多諧振蕩器、計數(shù)和脈沖分配器、模擬開關(guān)。由多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形波作為計數(shù)和脈沖分配器的時鐘脈沖。計數(shù)和脈沖分配器接在多諧振蕩器與發(fā)光二極管顯示板之間，它有多個輸出端，由這些輸出端上按時序輸出的脈沖經(jīng)電流放大后，使顯示板中的各發(fā)光二極管順次發(fā)光。只要改變多諧振蕩器的振蕩周期，便能改變橫波的周期。為了演示波的形成過程，電路中設(shè)置了模擬開關(guān)，各開關(guān)的控制端受計數(shù)和脈沖分配器同一個輸出端的控制。在剛通電時，各模擬開關(guān)均斷開當振動傳遞到面板上最右端的質(zhì)點時，由計數(shù)和脈沖分配器的輸出信號使模擬開關(guān)閉合，面板上的所有發(fā)光二極管都接入電路，演示整個媒質(zhì)中的各質(zhì)點都已開始振動。為了適應(yīng)教師講課的需要，設(shè)置了手動按鈕，它可以使波形圖逐幅變化。
本實用新型中，面板上的發(fā)光二極管采用高亮度的，整個演示儀器制成厚度小于5cm的板狀裝置。在使用時，可掛于黑板上，既直觀醒目，又便于攜帶。在電路上增加一些控制單元，還能制成遙控型。它的使用功能除作橫波演示外，還可以演示單個質(zhì)點的簡諧振動過程；數(shù)學(xué)教學(xué)時，可以演示各種正弦型曲線。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細的敘述。


圖1是顯示面板上發(fā)光二極管的分布位置和編號示意圖。
圖2是主控制電路原理圖。
圖3是二極管矩陣和顯示面板上的發(fā)光二極管電路原理圖。
圖1是顯示面板上發(fā)光二極管的分布位置和編號示意圖。面板上的50個發(fā)光二極管分成10組，每組5個，分別代表彈性媒質(zhì)中的十個(1～10)質(zhì)點和每個質(zhì)點在振動過程中的五個位置(a、b、c、d、e)。第1組的五個發(fā)光二極管編號分別為1a、1b、1c、1d、1e；第二組的五個發(fā)光二極管編號分別為2a、2b、2c、2d、2e……、第十組的五個發(fā)光二極管編號分別為10a、10b、10c、10d、10e。每組五個發(fā)光二極管按
順次循環(huán)發(fā)光，表示一個質(zhì)點的振動過程。因各組發(fā)光二極管點亮的相位不同，某一瞬時，這十個質(zhì)點所處位置的發(fā)光二極管同時點亮，即可以表示該時刻的波形圖。
圖2是主控制電路原理圖。其中IC1為時基電路NE555，它與R1、R2、RP、C組成典型的自激多諧振蕩器。振蕩產(chǎn)生的矩形波經(jīng)三極管VT1反相后，作為計數(shù)器IC2的時鐘脈沖。IC2是常用的CMOS數(shù)字集成電路“十進制計數(shù)／脈沖分配器”CD4017。它的主要功能是將輸入的脈沖按時序分配在其10個(Y0～Y9)輸出端上，且每一瞬時總是只有一個輸出端為高電平，其余9個均為低電平。本電路將其接成8進制計數(shù)器，時鐘脈沖由14腳(CP端)輸入。C3、R6組成通電清零電路，以保證在每次剛接通電源時，總是只有3腳(Y0)為高電平。此時三極管VT2導(dǎo)通，Q0＝“1”。第一個脈沖輸入，IC2的2腳(Y1)變?yōu)楦唠娖剑琕T3導(dǎo)通，Q1＝“1”；第二個脈沖輸入，IC2的4腳(Y2)變?yōu)楦唠娖剑琕T4導(dǎo)通，Q2＝“1”；第3～7個脈沖輸入時，分別使Q3～Q7依次變?yōu)楦唠娖?。當?shù)?個脈沖輸入時，IC2的9腳(Y8)變?yōu)楦唠娖?，?jīng)二極管VD1加至IC2的15腳(Cr端)，IC2清零，又回復(fù)到只有3腳(Y0)為高電平，即只有Q0＝“1”。綜上所述，由IC1輸出的矩形脈沖，經(jīng)IC2處理后，使Q0～Q7依次變?yōu)楦唠娖?，其循環(huán)順序為
圖3電路中由80個二極管組成開關(guān)矩陣。Q0～Q7及“地”接至圖2中對應(yīng)的點。圖3中的10組(1，2，3，……，10)、每組五個(a、b、c、d、e)發(fā)光二極管便是
圖1中分布在面板上的50個發(fā)光二極管。Q0～Q7輸出的高電平信號經(jīng)二極管矩陣選擇后，分別點亮這些發(fā)光二極管，即可演示橫波的形成和傳播過程。下面結(jié)合
圖1和圖3加以說明。當Q0＝“1”時，能使發(fā)光二極管1c、2b、3e、4d、5c、6b、7a、8b、9c、10d同時發(fā)光；當Q1＝“1”時，能使1b、2c、3d、4e、5d、6c、7b、8a、9b、10c同時發(fā)光；……。各發(fā)光二極管點亮的順序如下表。
為了演示橫波的形成過程，控制電路中采用了兩塊“四雙向模擬開關(guān)”CD4066(圖2中的IC3、IC4)。在剛通電時，因IC2的9腳(Y8)為低電平，所以三極管VT10截止，繼電器KR處于釋放狀態(tài)，IC3，IC4中的8個雙向模擬開關(guān)均處于斷開狀態(tài)。此時，Q0＝“1”，只能驅(qū)動發(fā)光二極管1c亮；Q1＝“1”，只能驅(qū)動1b、2c同時亮；Q2＝“1”，只能驅(qū)動1a、2b、3c同時亮；……；Q7＝“1”，只能驅(qū)動1d、2e、3d、4c、5b、6a、7b、8c同時亮。這樣，便能演示橫波的形成過程。當IC2的9腳為高電平時，經(jīng)二極管VD2使三極管VT10導(dǎo)通，繼電器KR吸合，它的一個常開觸點kr－1閉合，維持VT10導(dǎo)通。同時，另一個常開觸點kr－2閉合，使IC3、IC4中8個模擬開關(guān)的控制端(5、6、12、13腳)均加上高電平信號，各模擬開關(guān)(圖3中IC3a～IC3d、IC4a～IC4d)均“閉合”。此后，Q0～Q7中無論哪個為高電平，每組發(fā)光二極管中必有一個會點亮，即表示媒質(zhì)中的各質(zhì)點都已產(chǎn)生振動。前面表中以加“○”的表示形成過程中能點亮的發(fā)光二極管。
圖2中的S是“自動”和“手動”控制轉(zhuǎn)換開關(guān)。S閉合時，IC1輸出的矩形脈沖使IC2輸出端的狀態(tài)自動循環(huán)變化；S斷開后，通過輕觸按鈕AN可進行手動控制，每按一下AN，便有一個正脈沖輸入IC2的14腳，從而改變一次其輸出端的狀態(tài)，使波形逐幅變化。
因為IC1組成的振蕩電路的周期T＝0.693(R1＋2RP＋2R2)·C1，通過調(diào)節(jié)電位器RP，便能改變多諧振蕩器的振蕩周期，從而改變Q0～Q7的循環(huán)周期，即可以使演示橫波的周期產(chǎn)生變化。
權(quán)利要求1.一種用于物理教學(xué)中顯示橫波形成與傳播過程的演示實驗裝置，它有一塊面板，演示的波形圖由分布在面板上的以不同相位作簡諧振動的多個質(zhì)點組成，本實用新型的特征在于面板上的每個振動質(zhì)點由一組循環(huán)發(fā)光的發(fā)光二極管組成；控制面板上各組發(fā)光二極管以不同相位順次發(fā)光的電子線路包括產(chǎn)生矩形脈沖的多諧振蕩器；接在多諧振蕩器與發(fā)光二極管顯示板之間的計數(shù)和脈沖分配器，由計數(shù)和脈沖分配器各個輸出端上輸出的脈沖順次點亮分布在顯示面板上的各發(fā)光二極管；以及受計數(shù)和脈沖分配器輸出端控制的模擬開關(guān)，當振動傳遞到顯示板最右端后，計數(shù)和脈沖分配器的輸出信號使接在發(fā)光二極管顯示板電路中的模擬開關(guān)閉合，從而使面板上的所有發(fā)光二極管都接入電路。
專利摘要本實用新型屬于一種用于物理教學(xué)中顯示橫波形成與傳播過程的演示實驗裝置，其面板上的每個振動質(zhì)點由一組循環(huán)發(fā)光的發(fā)光二極管組成，控制各組發(fā)光二極管以不同相位順次發(fā)光的電路包括產(chǎn)生矩形脈沖的多諧振蕩器；接在多諧振蕩器與發(fā)光二極管面板之間的計數(shù)和脈沖分配器，它由各輸出端上輸出的脈沖依次點亮面板上的各發(fā)光管；以及受計數(shù)和脈沖分配器輸出端控制的模擬開關(guān)。它顯示的波形圖能自動變化，也可手控其逐幅變化。它可制成板狀裝置，既直觀醒目，又便于懸掛和攜帶。
文檔編號G09B23/08GK2174756SQ9322043
公開日1994年8月17日 申請日期1993年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月28日
發(fā)明者榮俊昌 申請人:榮俊昌