Учебная установка по физике Советский патент 1993 года по МПК G09B23/08 

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения физических законов.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, которая состоит в создании универсальной учебной установки, в возможности сопряжения с персональным компьютером для обработки информации с помощью специального программного обеспечения.

На фиг.1 представлена установка; на фиг.2 - схема электронного блока; на фиг.З - импульсные диаграммы.

Учебная установка представляет собой маятник универсальный (настольный прибор). На вертикальной стойке 1 (фиг.1) закреплен кронштейн 2, с одной стороны которого подвешен математический маятник 3, с другой - физический оборотный маятник 4 со стержнем 5. В нижней части стойки 1 с помощью кронштейна 6 закреплен датчик фотоэлектрический 7 с возможностью перемещения как вдоль, так и вокруг стойки 1 и фиксации в любом положении.

Датчик предназначен для выдачи электрических сигналов на электронный блок 8. В схему электронного блока 8 входит задающий генератор 9 (фиг.2), блок формирования импульсов 10, таймер 11, микропроцессорный блок управления 12, блок индикации 13 и управления 14, блок управления 15 электромагнитом 16. Связь с персональным компьютером осуществляется через интерфейс 17 (RS-232C). Микропроцессорный блок управления 12 включает в себя блок памяти 18 (фиг.З), процессорный блок 19, дешифратор 20, контроллер ввода-вывода информации 21, контроллер прерываний 22, контроллер приемопередающий 23 канала связи.

Таким образом, электронный блок 8 состоит из устройств питания, управления и индикации. Электронный блок 8 предназначен для управления подачи питания на электромагнит 16, определения длительности и количества периодов перенесения оси фотодатчика 7 подвижными элементами (3, 4) физических приборов и вывода результатов на индикаторную панель блока 13.

00

со

4 С

СО

Датчиков 7 может быть два:

1)когда датчик 7 один, то обслуживаются работы по колебаниям маятника,

2)когда датчиков два (7,24), то считается интервал времени движения тела между приходом импульсов с датчиков 7, 24.

Датчики 7, 24 представляют собой опто- пэру с открытым оптическим каналом и фор- мирователь электрического сигнала.

Подвижный механический элемент фи- зического прибора, проходя через оптическую ось датчика прерывает световой поток, что приводит к изменению уровня выходного электрического сигнала на выходе датчика. Сигнал с датчика поступает на вход электронного блока 8. В исходном состоянии, т.е. после нажатия кнопки Сброс на панели блока управления 14 и при отсутствии сигналов с датчиков счетчики СТО, СТ1 таймера 11 находятся в нулевом состоянии, при этом сигнал логического нуля с прямого выхода блока формирования импульсов - триггера 10 запрещает счет импульсов опорной частоты, поступающих с генератора 9 счетчиком СТ1. На индикаторной пане- ли блока 13 отображаются нули во всех позициях.

При нажатии кнопки Пуск на панели блока управления 14 отключается напряжение питания с электромагнита 16 и освобож- даются подвижные элементы физического прибора (маятник, груз и т.п.).

При поступлении с датчика 7 первого импульса содержимое счетчика СТО устанавливается равным нулю, состояние вы- ходов триггера 10 изменяется на- противоположное - разрешается накопление импульсов опорной частоты, поступающих с генератора 9 на счетчике СТ1 и запрещается накопление импульсов на счетчике СТ2.

При поступлении второго импульса с датчика 7 содержимое счетчика СТО увеличивается на единицу.

Состояние триггера 10 изменяется на противоположное - размешается накопление импульсов на счетчике СТ2 таймера 1.1 и запрещается накопление на счетчике СТ1.

На счетчике СП запоминается количе- ство импульсов опорной частоты генератора 9, поступивших на вход счетчика СП за время между поступлениями передних фронтов первого и второго импульсов. Временной интервал между двумя импульсами определяется

TrNi1/fon Ni ton,

где NI - количество импульсов опорной частоты, поступившее на вход счетчика СТ1 или СТ2 за одно измерение;

fon(ton)-частота (период) опорного генератора.

Процессорный блок 19, проверяя содержимое счетчика СТО таймера 11 решает, какой счетчик СТ1 или СТ2 готов к выдаче информации - при четном значении содержимого счетчика СТО (подвижной элемент физического прибора четное количество раз пересек оптическую ось датчика 7) счетчик СТ1 считает количество импульсов, поступивших на его вход, а счетчик СТ2 готов к выдаче информации. При нечетном количестве импульсов, поступивших с датчика 7 - счетчик СТ1 готов к выдаче информации, а счетчик СТ2 находится в режиме подсчета количества импульсов опорной частоты, поступающих с генератора 9.

Сняв показания счетчика,процессорный блок 19 заносит в него исходное значение, подготавливая счетчик к следующему измерению.-

Результат измерения поступает на устройство ввода-вывода информации-конт- роллер 21 и отображается на индикаторной панели блока 13.

На индикаторной панели также отображается количество пересечения оптической оси, деленное на два.

Окончание процесса измерения может определяться или поступлением сигнала со второго датчика 24, устанавливающим триггер 10 в исходное состояние, или по команде с панели блока управления 14 при нажатии кнопки Стоп.

На панель индикации может быть выведено, в зависимости от типа физического прибора, на который установлен электронный блок, или значение временного интервала между приходом импульсов с датчиков 7 и 24, или суммарное значение времени поступления п импульсов сдатчика 7.

Электронный блок 8 обеспечивает передачу информации по интерфейсу 17 RS- 232С, при этом электронный блок передает значение импульсов, поступающих с датчика .7 и значение измеренной длительности временного интервала между приходом двух импульсов с датчика 7,

При поступлении сигналов по интерфейсу RS-232C или с панели блока управления контроллер 23 или контроллер ввода-вывода 21 формирует сигнал запроса на контроллер прерываний 22, который выдает запрос на прерывание в процессорный блок 19. Процессорный блок 19 организует соответствующие коды по шинам управления и адреса на дешифратора 20, на контроллер ввода-вывода 21 или контроллер 23, что обеспечивает считывание кода замкнутой кнопки на панели блока управления 14

или информации, поступившей по интерфейсу 17 RS-232C.

В персональном компьютере должно быть размещено специальное программное обеспечение в виде управляющих диалоговых программ для проведения лабораторных работ.

Использование данной установки в учебном процессе обеспечения наглядность демонстрации, усваиваемость обучаемыми материалами, относящегося к определенному разделу физики, сконцентрировав из на физике процесса.

Установка универсальна, возможны разные режимы работы электронного блока.

Установка способна проявить свои преимущества в совокупности со специальным программным обеспечением, позволяющим обучаемым работать за персональным компьютером в диалоговом режиме и управлять установкой для выполнения лабораторных работ.

Формула изобретения

Учебная установка по физике, содержащая основание с установленной на нем стойкой с кронштейном, на котором укреплен математический маятник, расположенный на основании узел датчиков положения маятника, задающий генератор, таймер, блок формирования импульсов, узел управляющих кнопок и блок индикации, отличающаяся тем, что она снабжена блоком памяти, блоком формирования управляющих сигналов, последовательно включенными дешифратором, контроллерами ввода-вывода информации и прерываний и последовательно включенными контроллером приемопередающего канала связи и интерфейсным блоком и физическим оборотным маятником со стержнем, укрепленным на противоположной стороне кронштейна, 5 а узел датчиков положения маятника расположен в зоне отклонения физического оборотного маятника, при этом выход задающего генератора соединен с первым и вторым информационными входами тай0 мера, связанного на выход шиной управления с контроллерами ввода-вывода информации,прерываний и приемопередающего канала связи и блоком формирования управляющих сигналов, который по

5 шинам адреса и данных подключен к блоку памяти, а по шине адреса соединен с дешифратором, связанным выходами с первыми управляющими входами таймера и контроллера ввода-вывода информации и

0 управляющими входами контроллеров прерываний и приемопередающего канала связи, выход узла управляющих кнопок соединен с вторым управляющим входом контроллера ввода-вывода информации, ко5 торый выходом подключен к входу блока индикации, первый выход узла датчиков положения маятника соединен с третьим информационным входом таймера и первым информационным входом блока формиро0 вания импульсов, который первым выходом связан с вторым управляющим входом таймера, а вторым выходом подключен к третьему управляющему входу таймера и управляющему входу блока формирования

5 импульсов, причем второй выход узла датчиков положения маятника соединен с установочным входом блока формирования импульсов.

Оо

t

V

го

ч

С

Сущность изобретения: установка содержит вертикальную стойку, кронштейн, математический маятник, физический оборотный маятник, два фотоэлектрических датчика, задающий генератор, блок формирования импульсов, таймер, блок индикации, узел управляющих кнопок, блок памяти, блок формирования управляющих сигналов, дешифратор, контроллер ввода - вывода информации, контроллер прерываний, контроллер приемопередающего канала связи.3 ил.

V

Инпульсы

С поз. 9

11

on

Illllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll

Спог.1

1

1-й цмлульс

С поз. №

С позМ

Ti Hj-ton

2-й

1-й

II

фиг.З