双脉冲矢量测速系统

本实用新型涉及速度矢量测量领域，具体提供了一种双脉冲矢量测速系统。所述双脉冲矢量测速系统包括微处理器、至少一个双路信号检测单元；所述双路信号检测单元由双路信号发射装置、双路信号接收装置、电压双比较双脉冲生成器和双路电压取样电路组成。至少一个所述双路信号检测单元在运动物体的运动路径上放置，在物体运动过程中产生两个时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性的双脉冲数字信号。所述微处理器通过所述双脉冲数字信号的下降沿和上升沿对所述微处理器的两个外部中断进行触发，在中断程序内记录触发时间，判断中断触发的顺序，根据先后顺序判断运动方向，合并计算出物体运动的矢量速度、矢量加速度，绘制出t‑v、t‑a变化规律图形。

技术领域

[0001] 本实用新型涉及速度的矢量测量领域，具体而言，提供一种产生双脉冲数字信号 的检测、生成系统，然后利用双脉冲数字信号对运动物体的矢量速度进行计算。

背景技术

[0002] 在物理实验室或者物理教学中，以及一些运动规律探索中，经常会对物体的运动 速度或者加速度进行测量，以便通过这些物理量，了解和发现物体运动规律，验证一些能量 变换定律。在教学活动中，施教者通过物理实验测得矢量速度或者矢量加速度，以数据或图 形的方式呈现能给受教者，取得更加直观和真实的观感，方便受教者对运动规律的理解，同 时亦可激发参与者进一步探索的欲望。然而现有的速度测量实验装置(纸带、小车、火花发 生器、钩码等）智能化低，常局限于实验准备、数据的收集和计算等基础工作中，速度的测量 也只能按标量进行，不能反映速度的矢量特征，测量工作效率很低。对于运动规律的发现和 对比这些真正需要的，能给人以启迪的工作做的很少。特别是对往返性运动规律的探索(如 单摆）只局限在周期的观察中，不能用矢量速度的变化数据、用实时的图形来显示速度的变 化过程，不能给人以一目了然的感觉。

[0003] 对于与速度有关的物理量，如动量、摩擦力、碰撞等多是在理想状态下计算得来， 较难通过实验获取相关数据。此外，借助智能工具，摒弃低端的人工劳动，建立大数据的规 律发现已是新时代的需求。而将物体运动速度数据化、矢量化、实时图形化恰好能满足这一 需求。因此，改变传统测速方式，使用智能化工具测量速度和加速度的矢量属性，在多次测 量的大数据下进行图形显示，在对比中理解运动规律、验证和发现能量变化将是未来学习 的需求。 实用新型内容

[0004] 有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种双脉冲矢量测速系统和速度的矢量计 算方法，配合物体运动方向、运动物体对运动面正压力、趋动力的测量实现了与矢量速度、 矢量加速度有关物理量的探索，并对实时测量的数据进行图形化显示以改善上述的问题， 满足未来学习需求。

[0005] 为了达到上述目的，本实用新型实施例采用如下所描述的技术方案，目的是产生 产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

[0006] 一种双脉冲矢量测速系统，其特征在于，利用双脉冲信号测量运动物体的矢量速 度，所述双脉冲矢量测速系统和矢量速度计算方法包括微处理器、至少一个双路信号检测 单元;所述双路信号检测单元由双路信号发射装置、双路信号接收装置、电压双比较双脉冲 生成器和双路电压取样电路组成;所述双路信号检测单元在所述运动物体的运动路径上放 置;所述双路信号接收装置的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个同相输入 端电连接，所述双路电压取样电路的两个输出端与所述电压双比较双脉冲生成器的两个反 相输入端电连接，所述电压双比较双脉冲生成器的两个输出端与所述微处理器的两个外部 中断电连接;其中所述双路信号发射装置包括光波发射模块、第一电阻和第一电源，所述光 波发射模块的一端连接所述第一电源，所述光波发射模块的另一端通过所述第一电阻接 地，所述双路信号发射装置发射特定波长的光波。

[0007] 所述双路信号接收装置的一路包括光波接收模块，第二电阻、第一电容和第二电 源，所述光波接收模块的一端连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端通过第一电 容连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲生成器 的一个同相输入端;所述光波接收模块的另一端同时通过所述第二电阻接地。

[0008] 所述双路信号接收装置的另一路包括光波接收模块，第六电阻、第二电容和第二 电源，所述光波接收模块的一端连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端通过第二 电容连接所述第二电源，所述光波接收模块的另一端同时连接所述电压双比较双脉冲的一 个同相输入端;所述光波接收模块的另一端同时通过所述第六电阻接地。

[0009] 所述双路信号接收装置是在所述运动物体的运动路径非重合位置上放置的两个 具有相同光敏特征属性的检测元件，通过对所述检测元件的位置间距和所述运动物体大小 的控制，使其能出现同时无光和同时有光的检测状态;经所述电压双比较双脉冲生成器比 较输出的所述双脉冲数字信号具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平脉冲属性;所述 检测元件的位置间距就是运动物体的运动路程，信号检测方式有遮光检测法、照射检测法 和反射检测法二种。

[0010] 所述遮光检测法为所述双路信号接收装置不间断地接收所述双路信号发射装置 发射的光波，利用所述运动物体遮挡所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号 接收装置上输出变化的模拟电压信号。

[0011] 所述照射检测法为所述双路信号发射装置附着于运动物体上，随物体而运动，所 述双路信号接收装置平时接收不到所述双路信号发射装置发射的光波，当物体经过所述双 路信号接收装置时，因接收到所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号接收装 置上输出变化的模拟电压信号。

[0012] 所述反射检测法为所述双路信号发射装置与所述双路信号接收装置并列放置，所 述双路信号接收装置平时接收不到所述双路信号发射装置发射的光波，所述运动物体上安 装有反光装置，当物体经过所述双路信号接收装置时，所述双路信号接收装置能接收到经 反光装置反射的所述双路信号发射装置发射的光波，在所述双路信号接收装置上输出变化 的模拟电压信号。

[0013] 以上利用光敏元件的光敏特性，对所述双路信号检测单元的双路光波检测方式、 要求和典型电路做了详细阐述，此法亦可通过物质的电感量信号、电容量信号、磁场变化信 号的属性进行检测，产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数 字信号，简述如下。

[0014] 当磁场进入闭合线圈时，线圈内电磁量从无经上升再到持平，在线圈上产生正弦 函数上半周变化的电流，利用这个变化的电流可以产生一个正向脉冲。当磁场离开闭合线 圈时，线圈内电磁量从持平经下降再到无，在线圈上产生正弦函数下半周变化的电流，利用 这个变化的电流可以产生一个负向脉冲。利用变化的电磁量在线圈中产生变化的电流这一 特征属性可以做成双电磁检测电路，配合合适的模数转换电路，可以产生两个具有时序不 同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。具体的，可以使用永久磁铁做运 动物体，在运动轨道上放置由双闭合线圈组成的双电磁检测单元，当运动物体经过双电磁 检测单元后，产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信 号。

[0015] 电容量的大小与两个平行板之间有效面积、距离和电荷量有关，当控制电荷量和 距离不变时，只与有效面积成正比关系。固定一平行板位置和上面的电荷量，让另一平行板 在固定高度经过这个固定平行板，有效面积发生由小到大再到小的变化，电容量产生正弦 函数上半周的变化，配合合适的电路产生脉冲信号。同样的，固定两个大小相同的平行板在 相距一定位置，让另一平行板在一定高度经过这两个平行板，配合合适电路可以产生两个 具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属性的双脉冲数字信号。

[0016] 当磁铁接近干簧管时，干簧管有吸合并导通现象，当磁铁离开干簧管时，干簧管有 释放并断开现象。在运动轨道合适的位置上放置两个干簧管，当磁铁经过两个干簧管时有 同时吸合的持续期，配合合适电路，可以产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低 电平属性的双脉冲数字信号。

[0017] 还可利用物质的霍尔效应、电涡流效应、热电偶效应、超生波效应、气敏效应、电感 效应，做成两个检测传感器放置于合适的位置，成为所述双路信号接收装置;当运动物体经 过所述双路信号接收装置后，亦可产生两个具有时序不同且能同时呈现高电平和低电平属 性的双脉冲数字信号。

[0018] 所述电压双比较双脉冲生成器由集成元件LM393和外围元件构成，所述集成元件 LM393有两个同相输入端、两个反相输入端、两个脉冲输出端、一个电源端和一个地端。所述 两个同相输入端与所述双路信号检测单元的输出电连接，所述两个反相输入端与两个取样 电路的输出电连接，所述两个脉冲输出端与所述微处理器的两个外部中断电连接，所述电 源端与第二电源连接。所述取样电路包括第三电阻、第四电阻和第二电源，所述第四电阻一 端连接所述第二电源，所述第四电阻另一端连接所述电压双比较双脉冲的一个反相输入 端，所述第四电阻另一端同时通过所述第三电阻接地。另一路所述取样电路连接与本所述 取样电路连接相同。所述电压双比较双脉冲生成器把所述双路信号检测单元检测到变化的 模拟电压信号转为双脉冲数字信号。

[0019] 所述微处理器有两个外部中断(或四个外部中断），可设定脉冲信号触发方式为下 降沿触发、上升沿触发或两者都可触发模式，在中断触发程序内可以记录定时值，根据触发 顺序设置运动状态值，计算矢量测速值等工作。通过串口中断实时传送t_v、t-a数据，通过 上位机程序实时动态完成物体运动规律的图形绘制。

[0020] 进一步，多个所述双路信号检测单元沿物体运动路径依次放置，通过单向控制隔 离多个输出脉冲之间的相互影响，分时测量产生连续的双脉冲检测信号。所述单向控制是 由一个开关二极管，配合两侧相同的默认电平确定控制方向，使多路双脉冲信号以“或门” 控制方式触发所述微处理器的两个外部中断。

[0021] 进一步，双脉冲矢量测速装置上安装有弹射装置，控制弹簧的压缩长度，用于改变 运动物体的初始速度，做弹性势能和动能转换实验。

[0022] 使用L形轨道，控制运动物体的高度，改变运动物体初始重力势能，做重力势能与 动能转换实验。

[0023] 进一步，在物体运行轨道上放置角度传感模块，测量物体运动角度，计算水平速度 和垂直速度。配合运动物体质量属性和对速度的分析，探究能量转换规律。

[0024]进一步，在物体运行轨道上放置相互垂直的两个电子测力计，测量运动物体在静 止情况下沿轨道的趋动力和正压力大小。通过对物体运动距离、加速度的测量，探宄摩擦系 数的变化规律。

[0025]进一步，在轨道上放置两个双路信号检测单元，在中间位置放置一静止小球，运动 小球经第一双路信号检测单元后碰撞静止小球，静止小球会运动会经过第二双路信号检测 单元。通过对两个小球质量和经过双脉冲矢量测速装置的加速度的测量，探宄动能传递效 能。

[0026] 本实用新型实现的有益效果

[0027]本实用新型提供的双脉冲矢量测速系统，是通过运动物体经过双路信号检测单 元，产生时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号，借助所述特征属性双脉 冲下降沿(或上升沿)触发微处理器外部中断，记录时间值、通过中断触发的前后顺序判断 运动方向，配合信号检测元件的间距，计算出物体运动的矢量速度、矢量加速度。

[0028]通过对运动角度测量、运动方向上驱动力、正压力的测量，以及受力分析，进行摩 擦系数探究，深化数据应用，通过串口中断实时传送t-v、t-a等数据，传递相关信息，实现 大数据和图形化显示。

[0029]借助微处理器提高了测量时间和矢量速度(加速度)计算的精确性，便捷使用促使 测试效率高，短时间内能够得到大量的实验数据，运动规律通过实时图形绘制给人以一目 了然的感觉，测试方便简捷，测试范围广。

[0030]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并 配合所附附图，作详细说明如下。

发明内容

Utility model content

In view of this, the purpose of this utility model is to provide the vector meters of a kind of dipulse vector velocity-measuring system and speed Calculation method, the matching object direction of motion, moving object to the measurement of moving surface normal pressure, trend motive force realize with vector velocity, Exploration of the vector acceleration in relation to physical quantity, and the data of real-time measurement are patterned and are shown to improve above-mentioned problem, Meet the following learning demand.

In order to achieve the above object, the utility model embodiment uses technical solution as described below, it is therefore an objective to generate Two are generated with timing difference and the dipulse digital signal of high level and low level attribute can be presented simultaneously.

A kind of dipulse vector velocity-measuring system, which is characterized in that utilize the vector speed of dipulse signal measurement moving object It includes microprocessor, the detection of at least one simple two-way signal that degree, the dipulse vector velocity-measuring system and vector velocity, which calculate method, Unit；The simple two-way signal detection unit is by simple two-way signal emitter, simple two-way signal reception device, the double relatively dipulses of voltage Generator and two-way voltage sample circuit composition；The simple two-way signal detection unit is put on the motion path of the moving object It sets；Two homophase inputs of dipulse generator compared with two output ends of the simple two-way signal reception device are double with the voltage End electrical connection, two of dipulse generator are instead compared with two output ends of the two-way voltage sample circuit are double with the voltage The electrical connection of phase input terminal, two outsides of the voltage double relatively two output ends of dipulse generator and the microprocessor Interrupt electrical connection；Wherein the simple two-way signal emitter includes light wave transmitting module, first resistor and the first power supply, the light One end of wave transmitting module connects first power supply, and the other end of the light wave transmitting module is connect by the first resistor Ground, the light wave of the simple two-way signal emitter transmitting specific wavelength.

The simple two-way signal reception device includes light wave receiving module, second resistance, first capacitor and the second electricity all the way Source, one end of the light wave receiving module connect the second source, and the other end of the light wave receiving module passes through the first electricity Hold and connect the second source, the other end of the light wave receiving module connects the double relatively dipulse generators of the voltage simultaneously A non-inverting input terminal；The other end of the light wave receiving module is grounded by the second resistance simultaneously.

The another way of the simple two-way signal reception device includes light wave receiving module, the 6th resistance, the second capacitor and second Power supply, one end of the light wave receiving module connect the second source, and the other end of the light wave receiving module passes through second Second source described in capacitance connection, the other end of the light wave receiving module connect the one of the double relatively dipulses of the voltage simultaneously A non-inverting input terminal；The other end of the light wave receiving module passes through the 6th resistance eutral grounding simultaneously.

The simple two-way signal reception device is two placed on the non-coincidence position of motion path of the moving object Detecting element with identical photosensitive characteristic attribute passes through the position spacing and the moving object size to the detecting element Control, can occur while unglazed and while having the detecting state of light；Through the double relatively dipulse generator ratios of the voltage Have timing different compared with the dipulse digital signal of output and high level and low level pulse attribute can be presented simultaneously；It is described The position spacing of detecting element is exactly the travel of moving object, and signal detecting mode has shading detection method, irradiating and detecting method With three kinds of detection method of reflection.

The shading detection method is that the simple two-way signal reception device receives the simple two-way signal emitter incessantly The light wave of transmitting blocks the light wave of the simple two-way signal emitter transmitting using the moving object, in the simple two-way signal The analog voltage signal of variation is exported in reception device.

The irradiating and detecting method is that the simple two-way signal emitter is attached in moving object, is moved with object, institute The light wave that simple two-way signal reception device does not receive the simple two-way signal emitter transmitting usually is stated, when object is by described double When the signal receiving device of road, because receiving the light wave of the simple two-way signal emitter transmitting, receives and fill in the simple two-way signal Set the analog voltage signal of output variation.

The reflection detection method is that the simple two-way signal emitter is placed side by side with the simple two-way signal reception device, institute The light wave that simple two-way signal reception device does not receive the simple two-way signal emitter transmitting usually is stated, is pacified in the moving object Equipped with reflex reflector, when object passes through the simple two-way signal reception device, the simple two-way signal reception device can receive through The light wave of the simple two-way signal emitter transmitting of reflex reflector reflection, exports variation in the simple two-way signal reception device Analog voltage signal.

The light sensitive characteristic of light-sensitive element utilized above, to the two-way light wave detection mode of the simple two-way signal detection unit, It is required that elaborating with typical circuit, this method can also be believed by the inductance signal, capacitance signal, changes of magnetic field of substance Number attribute detected, generate two dipulse numbers different with timing and that high level and low level attribute can be presented simultaneously Word signal, is summarized as follows.

When magnetic field enters closing coil, electromagnetic quantities generate sinusoidal from without being risen again to maintaining an equal level on coil in coil The electric current of function upper half variation can produce a direct impulse using this electric current changed.When closed line is left in magnetic field When circle, electromagnetic quantities are declined from maintaining an equal level again to nothing in coil, and the electric current of SIN function lower half variation is generated on coil, is utilized The electric current of this variation can produce a negative-going pulse.Using the electromagnetic quantities of variation generated in coil variation electric current this Characteristic attribute can be made double electromagnetic detection circuitries, cooperate suitable analog to digital conversion circuit, and can produce two has timing not Dipulse digital signal same and that high level and low level attribute can be presented simultaneously.It is transported specifically, permanent magnet can be used Animal body places the double electromagnetic detecting units being made of double closing coils in tracks, when moving object is by double electromagnetism After detection unit, two dipulse number letters different with timing and that high level and low level attribute can be presented simultaneously are generated Number.

Effective area, distance and the quantity of electric charge are related between the size of capacitance and two parallel-plates, when control the quantity of electric charge and Apart from it is constant when, only it is proportional with effective area.A parallel Board position and the quantity of electric charge above are fixed, allows another parallel-plate Fix parallel-plate by this in fixed height, effective area occur it is ascending arrive small variation again, capacitance generates sine The variation of function upper half cooperates suitable circuit to generate pulse signal.Exist likewise, fixing the identical parallel-plate of two sizes At a distance of certain position, allow another parallel-plate in certain altitude by the two parallel-plates, cooperation appropriate circuitry can produce two Dipulse digital signal different with timing and that high level and low level attribute can be presented simultaneously.

When magnet is close to tongue tube, tongue tube has actuation and phenomenon is connected, and when magnet leaves tongue tube, tongue tube has It discharges and disconnects phenomenon.Two tongue tubes are placed on the suitable position of tracks, are had when magnet passes through two tongue tubes The duration being attracted simultaneously cooperates appropriate circuitry, and can produce two has timing different and high level and low can be presented simultaneously The dipulse digital signal of level attribute.

Also using the Hall effect of substance, eddy current effect, thermocouple effect, excusing from death wave effect, gas sensitive effect, inductance Effect is made into two detection sensors and is placed in suitable position, becomes the simple two-way signal reception device；When moving object passes through After crossing the simple two-way signal reception device, also can produce two has timing different and high level and low level category can be presented simultaneously The dipulse digital signal of property.

The double relatively dipulse generators of the voltage are made of integrated component LM393 and peripheral cell, the integrated component There are two non-inverting input terminal, two inverting input terminals, two pulse output ends, a power end and a ground terminals by LM393.It is described Two non-inverting input terminals are electrically connected with the output of the simple two-way signal detection unit, described two inverting input terminals and two samplings The output of circuit is electrically connected, and described two pulse output ends are electrically connected with two external interrupts of the microprocessor, the electricity Source is connect with second source.The sample circuit includes 3rd resistor, the 4th resistance and second source, the 4th resistance one End connects the second source, and the 4th resistance other end connects an anti-phase input of the double relatively dipulses of the voltage End, the 4th resistance other end are grounded by the 3rd resistor simultaneously.Described in the connection of sample circuit described in another way and sheet Sample circuit connection is identical.The simple two-way signal detection unit is detected variation by the double relatively dipulse generators of the voltage Analog voltage signal switchs to dipulse digital signal.

The microprocessor, can be under setting pulse signal triggering mode be there are two external interrupt (or four external interrupts) Drop all can trigger mode along triggering, rising edge triggering or both, can recorde timing value in down trigger program, according to triggering Sequence setting state of motion value, calculates vector and tests the speed the work such as value.Real-time transmission t-v, t-a data are interrupted by serial ports, are passed through Host computer procedure is dynamically completed the graphic plotting of object of which movement rule in real time.

Further, multiple simple two-way signal detection units are sequentially placed along object of which movement path, by it is unidirectionally controlled every From influencing each other between multiple output pulses, timesharing measurement generates continuous dipulse and detects signal.It is described unidirectionally controlled to be By a switching diode, cooperates the identical default level in two sides to determine control direction, make multichannel dipulse signal with disjunction gate Control mode triggers two external interrupts of the microprocessor.

Further, catapult-launching gear is installed on dipulse vector speed measuring device, controls the reduction length of spring, for changing The initial velocity of moving object does elastic potential energy and kinetic energy transition experiment.

Using L shape track, control the height of moving object, change moving object primary gravity potential energy, do gravitional force with Kinetic energy transition experiment.

Further, the placed angle sensing module in object running track measures object of which movement angle, calculates horizontal velocity And vertical speed.Cooperative movement mass of object attribute and analysis to speed, probe into energy conversion rule.

Further, orthogonal two electronic dynamometers are placed in object running track, measure moving object quiet Along the trend motive force of track and normal pressure size in the case of only.By the measurement to object of which movement distance, acceleration, friction system is probed into Several changing rules.

Further, two simple two-way signal detection units are placed in orbit, place a static bead, movement in middle position Static bead is collided after small the first simple two-way signal of ball warp detection unit, static small club's movement can be detected by the second simple two-way signal Unit.By the measurement of the acceleration to two pellet qualities and by dipulse vector speed measuring device, kinetic energy transmitting effect is probed into Energy.

Beneficial effect of the utility model

Dipulse vector velocity-measuring system provided by the utility model is single by simple two-way signal detection by moving object Member generates timing difference and possesses the dipulse signal of same level duration characteristic attribute, by the double arteries and veins of the characteristic attribute Failing edge (or rising edge) triggering microprocessor external interrupt is rushed, recorded time value is judged by the tandem of down trigger The direction of motion cooperates the spacing of signal detection component, calculates vector velocity, the vector acceleration of object of which movement.

By measuring movement angle, driving force, the measurement of normal pressure and force analysis in the direction of motion, rub It wipes coefficient to probe into, deepens data application, the data such as real-time transmission t-v, t-a are interrupted by serial ports, transmit relevant information, are realized Big data and graphic software platform.

Microprocessor improves the accuracy that time of measuring and vector velocity (acceleration) calculate, and convenient use promotes Testing efficiency is high, can obtain a large amount of experimental data in the short time, the characteristics of motion gives a mesh by real time graph output The feeling being clear, convenient test is simple and direct, and test scope is wide.

To enable the above objects, features, and advantages of the utility model to be clearer and more comprehensible, preferred embodiment is cited below particularly, and Cooperate appended attached drawing, is described in detail below.

附图说明null实施方式

[0047]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新 型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描 述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和 示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

[0048]因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求 保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的 实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本实用新型保护的范围。

[0049]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一 个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

[0050]在教学和探究活动中，对速度或者加速度进行测量的目的是通过拟定实验环境， 或改变某一物理量，获取物体运动矢量速度的变化情况，进一步地探宄加速度、能量的变化 情况及物体的运动规律。因为测量结果的图形化显示远比数字化呈现更易理解，而且图形 对比呈现会给人一目了然的感觉。所以，在实验中力求达到测量方式简单、高效、测量数据 量大，而且实时图形化显示自然成为理想的矢量速度测量选择。然而，传统的速度测量实验 中距离的测量、数据的手工计算占去了多数时间，留给绘图和通过图形对比寻找物体运动 规律的时间很少，甚至没有，同样计算精确度不会太高，而且速度也只能按标量进行计算。 特别地，传统测速实验中有些实验工具体积大而笨重，涉及到的相关设备繁杂，不能随手随 时使用，每次测量的数据很少，测试的效率低。

[0051]基于上述情况，发明人经过长期研宄，巧妙构建了时序不同且拥有相同电平持续 期特征属性的双脉冲信号，提出了本实用新型的双脉冲矢量测速系统。巧妙利用具有所述 特征属性双脉冲信号的下降沿(或上升沿)触发微处理器两个外部中断，通过中断触发的先 后顺序判断运动方向；利用两个下降沿(或上升沿)的时间差确定运动物体经过两个检测装 置的时间，利用两个检测元件的距离确定物体运动距离，借助微处理器实时计算出运动物 体经过该检测装置的矢量速度值。借助微处理器的串口工具将测量的计时值和计算的矢量 速度值实时上传到上位机，动态显示物体的矢量速度图像，简化了理解难度;并结合矢量测 速实验现场，同步观察运动过程，简化了学习过程并提升了探索欲望。

[0052] 进一步的，借助有四个外部中断的微处理器，在利用双脉冲的上升沿和下降沿同 时进行矢量测速的同时，计算出物体经过双检测单元的矢量加速度，在上位机程序中实时 呈现加速度的变化图形。配合运动角度测量、运动方向的受力分析，完成进一步的物理量探 索。

[0053] 第一实施例

[0054]请参照图1至图3,图1示出了本实用新型提供的遮光式双脉冲矢量测速系统的组 成示意图，本实用新型提供的遮光式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速 度。本实用新型实施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双 向运动方向106、双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与 所述微处理120电连接。所述运动物体1〇〇可以在所述光波发射装置130和所述双脉冲检测 生成单元110之间运动。

[0055] 所述光波发射装置130不间断的照射所述双脉冲检测生成单元110,所述双脉冲检 测生成单元110生成默认的双脉冲电平，所述运动物体100在所述双向运动方向106的方向 上运动。当所述运动物体100沿双向运动方向106到达所述光波发射装置130与所述双脉冲 检测生成单元110之间时，遮挡了所述光波发射装置130发射的光波，使所述双脉冲检测生 成单元110产生与默认不一致的双脉冲信号。当所述运动物体100沿双向运动方向106离开 所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110之间时，所述光波发射装置130发射 的光波重新照射到所述双脉冲检测生成单元110,使所述双脉冲检测生成单元110回到默认 的双脉冲电平。

[0056]图2示出了本实用新型提供的照射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图，本实用 新型提供的照射式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速度。本实用新型实 施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双向运动方向106、 双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理120电 连接。所述光波发射装置130附着于所述运动物体100上，在所述双向运动方向106的方向上 运动，所述光波发射装置130的光波跟随所述运动物体100可以照射到所述双脉冲检测生成 单元110上。

[0057]所述光波发射装置130平时不能照射到所述双脉冲检测生成单元110,所述双脉冲 检测生成单元110生成默认的双脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106到达所 述双脉冲检测生成单元110上面时，所述光波发射装置130发射的光波照射到使所述双脉冲 检测生成单元110上，使所述双脉冲检测生成单元110产生与默认不一致的脉冲电平。当所 述运动物体100沿双向运动方向106离开所述双脉冲检测生成单元110之间时，所述光波发 射装置130发射的光波也离开了所述双脉冲检测生成单元110,使所述双脉冲检测生成单元 110回到默认的双脉冲电平。

[0058]图3示出了本实用新型提供的反射式双脉冲矢量测速系统的组成示意图。本实用 新型提供的反射式双脉冲矢量测速系统可以测量物体往返运动的矢量速度。本实用新型实 施例提供的双脉冲矢量测速系统包括光波发射装置130、运动物体100、双向运动方向106、 双脉冲检测生成单元110和微处理器120。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理120电 连接。所述光波发射装置130与所述双脉冲检测生成单元110并列放置。所述运动物体1〇〇上 有可以反射光波的反射面，在所述双向运动方向106的方向上运动。

[0059] 所述光波发射装置130发射的光波平时是不能照射或经反射到达所述双脉冲检测 生成单元110上。使所述双脉冲检测生成单元110生成默认的双脉冲电平。当所述运动物体 100沿双向运动方向106到达所述双脉冲检测生成单元110上方时，所述光波发射装置130发 射的光波经反射后照射到使所述双脉冲检测生成单元110上，使所述双脉冲检测生成单元 110产生与默认不一致的脉冲电平。当所述运动物体100沿双向运动方向106离开所述双脉 冲检测生成单元110上方时，所述光波发射装置130发射的光波不能被反射，也离开了所述 双脉冲检测生成单元110,使所述双脉冲检测生成单元110回到默认的双脉冲电平。

[0060] 本实施例仅提供了利用光敏特性进行双脉冲检测的三种方式，此法亦可通过物质 的其它特征(磁、热、电容、电感等)属性进行检测，输出类似变化的电压信号。不论使用什么 方法，其目标就是当运动物体经过双脉冲检测装置后，产生时序不同且拥有相同电平持续 期特征属性的双脉冲信号，为触发所述微处理器外部中断，进行矢量速度计算提供硬件基 础。

[0061] 第二实施例

[0062] 请参照图4和图5,图4示出了本实用新型双脉冲检测生成单元组成示意图，所述双 脉冲检测生成单元110包括双路信号检测单元111和电压双比较双脉冲生成器112。所述双 路信号检测单元111和所述电压双比较双脉冲生成器112电连接。所述双路信号检测单元 111用于检测光波发射装置发射的光波在双路信号检测单元上的变化，电压双比较双脉冲 生成器112将双路信号双路信号检测单元的输出电压信号与取样电路的输出电压信号进行 比较。双路信号检测单元111的输出高于取样电路的输出电压信号，电压双比较双脉冲生成 器112输出高电平，双路信号检测单元111的输出低于取样电路的输出电压信号，电压双比 较双脉冲生成器112输出低电平。所述双脉冲检测生成单元110将模拟信号转为双脉冲数字 信号，用双脉冲数字信号的下降沿(上升沿)去触发微处理器的外部中断，实现矢量测速目 的。

[0063]图5示出了本实用新型提供的双路信号检测单元111、电压双比较双脉冲生成器 112电路原理图。所述双路信号检测单元111、电压双比较双脉冲生成器112电路包括光波发 射单元电路、光波检测单元电路、电压取样电路、电压双比较双输出电路。

[0064]具体的，所述光波发射单元130包括光波发射模块IR1，第一电阻R1和第一电源E1。 光波发射模块IR1的一端连接第一电源E1，光波发射模块IR1的另一端通过第一电阻R1接 地，所述光波发射单元130发射特定波长的光波。

[0065] 所述光波检测单元包括光波接收模块IE1，第二电阻R2、第一电容C1和第二电源 E2,所述光波接收模块IE1的一端连接所述第二电源E2,所述光波接收模块IE1的另一端通 过第一电容C1连接所述第二电源E2,所述光波接收模块IE1的另一端同时连接所述电压双 比较双脉冲生成器LM393的同相输入端3;所述光波接收模块IE1的另一端同时通过所述第 二电阻R2接地。另一路所述光波检测单元包括光波接收模块IE2,第六电阻R6、第二电容C2 和第二电源E2,所述光波接收模块IE2的一端连接所述第二电源E2,所述光波接收模块IE2 的另一端通过第二电容C2连接所述第二电源E2,所述光波接收模块IE2的另一端同时连接 所述电压双比较双脉冲生成器LM：393的同相输入端5;所述光波接收模块ie2的另一端同时 通过所述第六电阻R6接地。

[0066]所述取样电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二电源E2,所述第四电阻R4—端 连接所述第二电源E2,所述第四电阻M另一端连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的 反相输入端2,所述第四电阻R4另一端同时通过所述第三电阻⑹接地。另一路所述取样电路 包括第七电阻R7、第八电阻R8和第二电源E2,所述第八电阻R8—端连接所述第二电源E2,所 述第八电阻R8另一端连接所述电压双比较双脉冲生成器LM393的反相输入端6,所述第八电 阻R8另一端同时通过所述第七电阻R7接地。

[0067]所述电压双比较双脉冲生成器LM393包括两个同相输入端3、5,两个反相输入端2、 6,两个输出端1、7,一个电源端8, 一个地端4,所述电压双比较双脉冲生成器LM393的输出端 1连接所述微处理器的INTO,输出端7连接所述微处理器的INT1，输出端8连接第二电源E2， 输出端4接公共地。

[0068]光敏二极管对特定波长的光线敏感度很高，光线是否照射光敏二极管，光电流呈 百倍级变化，串联电阻的分电压变化相当明显，本实用新型实施例利用光波接收模块IE1、 IE2的光敏效果，在串联电阻R2、R6上输出检测到的模拟电信号。取样电路R3、R4和R7、R8是 两个串联式电路，在连接点有一个固定的电压输出。当所述电压双比较双脉冲生成器LM393 同相输入端3、5电压大于反相输入端2、6电压时，在所述电压双比较双脉冲生成器LM393输 出端1、7输出高电平；当所述电压双比较双脉冲生成器LM393同相输入端3、5电压小于反相 输入端2、6电压时，在所述电压双比较双脉冲生成器LM393输出端1、7输出低电平。

[0069]进一步，两个检测元件在运动轨道上的放置不重合，导致双脉冲信号产生的时序 和相位不一致，这是双脉冲矢量测速中判断物体运动方向和计算矢量速度的依据。两个检 测元件因遮挡（照射或反射)的原因，能呈现同时接收到所述光波发射单元发射的光波和同 时不能接收到所述光波发射单元发射的光波的两种状态，这是双脉冲矢量测速中方向判断 和计算的起点位置，具体表现在所述电压双比较双脉冲生成器LM393的输出端1、7输出时序 不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号。

[0070]时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的双脉冲信号是进行矢量测速的基础， 结合第一实施例，所述双路信号检测单元110是构建具有此特征属性双脉冲信号的关键。不 同时序意味着所述双路信号检测单元112在运动轨道上不能重叠，要有一定的间距，这个间 距就是运动物体经过两个检测单元的运动距离，这个时序差就是物体经过此间距的时间， 标量速度可以通过公式v-s/t求出。拥有相同电平持续期意味着所述双路信号检测单元112 具有同时接收到所述光波发射装置130的光波或同时不能接收到所述光波发射装置130的 光波条件，这是利用双脉冲判断方向、记录定时值和计算的依据。运动过程是有方向规定 的，在双脉冲信号中表现为下降沿(上升沿)触发的顺序不同，把这个顺序变化加到速度测 量中就实现了矢量速度测量。

[0071] 第三实施例

[0072] 图6示出了本实用新型实施例利用多个双脉冲检测生成单元110进行连续矢量测 速结构示意图。本实施例与第一实施例大致相同，区别在于所述双脉冲检测生成单元110为 多个，所述双脉冲检测生成单元110沿物体运动路径依次放置，相互距离要超出所述光波发 射装置130发射的光波范围，避免相邻双脉冲检测生成单元110并行检测。所述双脉冲检测 生成单元110分别通过单向传输电路140与微处理器120电连接。

[0073]结合附图5,使用不同的光波检测方式，在默认状态多个所述电压双比较双脉冲生 成器输出默认电平，本实施例中，采用照射法检测，平时无光默认为低电平，所述微处理器 的外部中断默认设置亦为低电平。所述单向传输电路由开关二极管构成，所述开关二极管 正极接所述电压双比较双脉冲生成器输出，负极接所述微处理器的外部中断。多个检测单 元构成“或门”逻辑电路，当任一所述光波检测单元被所述光波发射单元的光波照射，输出 变为高电平时，在单向导通二极管的作用下中断变为高电平，只有全部所述电压双比较双 脉冲生成器输出都为低电平时，中断才为低电平。运动物体经过多个所述双脉冲检测生成 单元110后，产生连续的双脉冲图形108,处理器120通过两个外部中断触发的先后顺序判断 运动方向，记录定时值，进行矢量速度计算。本实施例一次实验操作可以获取多组测量数据 并实时上传到上位机，用图形的方式显示矢量速度变化过程。

[0074]此实施例可以替代传统的利用斜面、小车、火花发生器进行的速度测量实验。与传 统实验相比，本实施例具有测量方便、快速，计算、绘图无需人工参与，数据、图形同步显示。 在测量过程中实时获取运动物体经过双检测点的矢量速度、矢量加速度，在测速过程中实 时显示运动规律图形，做到实时运动与运动规律图形对比呈现。

[0075] 进一步，图形显示测量结果有助于理解抽象的运动规律，对比呈现强化认知过程， 激发探索欲。高效的即测即现实验过程节约了大量时间，在原有测速实验的时间内可以实 施更多的探索方案。

[0076] 第四实施例

[0077]图7示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能与动能转化实验结构示 意图。本实用新型实施例目标是借助矢量速度、矢量加速度的实时测量，探宄弹性势能与动 能的变化过程。本实施例包括运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110、微 处理器120、光波发射装置130、弹簧150、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单元110与所 述微处理器120电连接，所述固定支撑物170水平放置，所述光波发射装置130与所述双脉冲 检测生成单元110并列放置，采用反射法检测运动物体100的运动状态。所述运动物体1〇〇在 所述弹簧150的牵引下，可以在所述固定支撑物170上沿所述双向运动方向106做往返运动。 [0078] 所述微处理器根据所述运动物体100的质量属性，利用双脉冲检测信号计算并上 传所述运动物体100的矢量速度、矢量加速度、机械能大小数据，在上位机用图形呈现相关 物理量的变化过程。具体的，使用外力移动所述运动物体1〇〇的位置，所述弹簧150发生形 变，产生弹性势能，放手后，所述运动物体100在弹性势能的变力作用下，在所述固定支撑物 170上水平往返运动，排除重力影响，只关注弹性势能与动能的关系。通过实时的数据计算 和上位机的图形呈现研宄相关物理的变化规律。

[0079] 第五实施例

[0080]图8示出本实用新型提供利用矢量速度、角度测量及质量进行的重力势能与动能 转化实验结构示意图。本实用新型实施例目标是借助矢量速度、矢量加速度的实时测量，探 宄重力势能与动能的变化过程。本实施例包括运动小球102、双向运动方向106、三个双脉冲 检测生成单元110、微处理器120、三个光波发射装置130、三个单向传输电路140、U形轨道 160、角度传感器180。

[0081] 所述运动小球102可以在所述U形轨道160上自由运动，所述三个双脉冲检测生成 单元110与所述三个单向传输电路140电连接，所述三个单向传输电路140与所述微处理器 电连接，采用遮光法进行运动状态检测。所述角度传感器180可以借助测速运动轨道的角 度，确定运动小球102的运动角度。

[0082]具体的，将所述运动小球102抬升到一定高度，所述运动小球102具有一定的相对 势能。放手后所述运动小球102在重力的作用下在所述U形轨道160上做往返运动，在三个测 试点采用遮光法进行运动状态检测。所述运动小球102在三个测试点的矢量速度、矢量加速 度，运动角度都实时计算可知，结合所述运动小球102的质量属性和三个测试点的相对高 度，借助上位机程序可以呈现动能与重力势能的变化规律。

[0083] 第六实施例

[0084]图9示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行弹性势能、重力势能和动能转化 实验结构示意图。本实用新型实施例的实验目标是借助对运动物体动能的测量，探索重力 势能与弹性势能的关系。本实施例包括运动物体100、双向运动方向106、双脉冲检测生成单 元110、微处理器120、光波发射装置130、弹簧150、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单 元110与所述微处理器120电连接，所述运动物体100悬挂在所述弹簧150上，可以在所述双 向运动方向106方向上往返运动。所述弹簧150悬挂在所述固定支撑物170上。采用遮光法对 所述运动物体1〇〇的矢量速度、矢量加速度进行实时测量。

[0085]具体的，使用外力向下移动所述运动物体100的位置，测量相对距离，所述弹簧150 发生形变，产生弹性势能，放手后，所述运动物体100在弹性势能变力和重力的作用下，产生 沿所述双向运动方向106方向上往返运动。在所述运动物体100振动过程中，不断有矢量速 度、矢量加速度被实时计算出来，结合所述运动物体100的质量属性，探宄所述运动物体1〇〇 的动量变化。此实施例需同时考虑弹性势能与重力势能的双重影响，通过实时的数据计算 和上位机的图形呈现研宄相关物理的变化规律。

[0086] 第七实施例

[0087] 图10示出本实用新型提供利用矢量速度测量进行单摆实验结构示意图。本实用新 型实施例的实验目标是借助对单摆物体的矢量速度、矢量加速度测量，探索阻尼摆动的规 律。本实施例包括运动小球102、双向运动方向106、双脉冲检测生成单元110、微处理器120、 光波发射装置130、固定支撑物170。所述双脉冲检测生成单元110与所述微处理器120电连 接，并可放在单摆运动轨迹的不同部位，所述运动小球102通过细绳悬挂在所述固定支撑物 170上，可以在所述双向运动方向106的方向上摆动，采用遮光法进行矢量速度、矢量加速度 测量。

[0088] 具体的，使用外力移动运动小球102的位置，放手后所述运动小球102开始做阻尼 摆动，所述双脉冲检测生成单元110实时生成时序不同且拥有相同电平持续期特征属性的 双脉冲信号，所述微处理器120实时计算单摆运动小球102在检测点的矢量速度、矢量加速 度。实时上传测量和计算数据到上位机，利用上位机绘制的测量图形，分析阻力对单摆周期 的阻尼影响。

[0089] 第八实施例

[0090] 图11示出本实用新型提供利用矢量速度测量、矢量加速度测量进行碰撞实验，探 讨能量传递结构示意图。本实用新型实施例的实验目标是研宄物体在非理想状态下刚性碰 撞能量传递的效果。本实施例包括运动小球1〇2、静止小球1〇3、单向运动方向105、双脉冲检 测生成单元110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、固定支撑物170和长度 测量尺。两所述个双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个 所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所 述两个双脉冲检测生成单元110,所述运动小球102和所述静止小球103可以在所述固定支 撑物170上运动，在运动中可以遮挡所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170 水平放置。采用遮光法测量所述运动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。 [0091]实验准备，所述静止小球103放置于两个所述双脉冲检测生成单元110之间，用长 度测量尺测量所述静止小球103到第二所述双脉冲检测生成单元110的距离S1，同时测量所 述运动小球102的碰撞点到两个所述双脉冲检测生成单元110的距离S2和S3,测量所述运动 小球102和所述静止小球103的质量ml、m2,在水平方向碰撞可以忽略重力的影响。

[0092]当所述运动小球102沿所述单向运动方向105的方向以一定速度运动，到达第一所 述双脉冲检测生成单元110时，经检测装置测出所述运动小球102的矢量速度和矢量加速 度，通过公式可以计算出摩擦力f 1。所述运动小球102在摩擦力f的作用下，保持加速度不 变，速度在降低。所述运动小球102经过距离S2到达碰撞点，配合ml，碰撞点所述运动小球 102的矢量速度、矢量加速度和水平动量计算可知，消耗的能量也可计算得到。

[0093]刚性碰撞能量发生了传递，所述静止小球103开始运动，在仅受摩擦力f 2的影响， 经距离S1到达第二所述双脉冲检测生成单元110处，经双脉冲检测可知所述静止小球103的 矢量速度、矢量加速度，配合m2可知所述静止小球103此处的动量大小。从碰撞到第二所述 双脉冲检测生成单元110的距离S1上，所述静止小球103的加速度恒定，使用逆推法，可以计 算出所述静止小球103碰撞后矢量速度、矢量加速度，从而计算出所述静止小球103获得的 水平动量。根据碰撞时所述运动小球102的水平动量和碰撞后所述静止小球103的水平动 量，可以分析出碰撞时能量传递的效果。

[0094] 进一步，所述运动小球1〇2碰撞后，动量和速度相应减少，可能处于静止、原方向运 动或反方向运动。若原方向运动且经过第二所述双脉冲检测生成单元110,或反方向运动且 经过第一所述双脉冲检测生成单元110,都可测量出所述运动小球102的矢量速度、矢量加 速度，配合ml加上距离S2和S3可以推算出碰撞发生后所述运动小球102的水平动量。若不能 到达所述双脉冲检测生成单元110,则可用长度测量尺测量碰撞点到停止点的距离，配合以 前计算出的摩擦力fl，可以推算出所述运动小球102的矢量速度、矢量加速度，配合m2进而 计算出所述运动小球102的水平动量。

[0095]从所述运动小球102碰撞前后的水平动量变化，所述静止小球103碰撞前后的水平 动量变化可以分析出刚性碰撞中能量传递的效果，此法亦可用于非弹性碰撞。所测量数据 实时上传到上位机，在上位机利用碰撞的相关物理量，计算并绘制水平动量图形，有助于进 一步的探究。

[0096]第九实施例

[0097]请参照图12至图13,图12示出本实用新型提供利用矢量加速度、相互垂直测力计 进行摩擦系数探究实验结构示意图。图13示出了本实用新型利用两个相互垂直的测力计在 运动轨道上进行静态趋动力和正压力测量示意图。本实用新型实施例的实验目标探究摩擦 系数与接触材料的关系。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单 元110、微处理器12〇、光波发射装置13〇、单向传输电路14〇、固定支撑物170、相互垂直测力 计190、平行于斜面的驱动力191、垂直于斜面的正压力192。

[0098]所述固定支撑物170倾斜放置，所述相互垂直测力计190放置于所述固定支撑物 170斜面上，所述运动小球102可以沿所述固定支撑物170的平面上运动。多个所述双脉冲检 测生成单元110沿所述固定支撑物170方向放置，多个所述双脉冲检测生成单元110各自与 多个所述单向传输电路140电连接，多个所述单向传输电路140与所述微处理器120电连接， 多个所述光波发射装置130放置在多个所述双脉冲检测生成单元110的正面，所述运动小球 102可以中间顺利运动。

[0099] 实验准备，测量所述运动小球102的质量，将所述运动小球102放置在所述相互垂 直测力计190上，测出两个相互垂直的平行于斜面的驱动力191、垂直于斜面的正压力192。 所述运动小球102在所述固定支撑物170上运动，正压力不变，始终等于垂直于斜面的正压 力192。沿运动方向的趋动力也始终等于平行于斜面的驱动力191。改变所述固定支撑物170 倾斜放置角度，以上数据也随之改变。

[0100] 在所述固定支撑物170顶端释放所述运动小球102,所述运动小球102在所述平行 于斜面的驱动力191和摩擦力的共同作用下，沿所述固定支撑物170的斜面运动，经过多个 所述双脉冲检测生成单元110时，实时获取矢量加速度值，计算所述运动小球102沿斜面的 合力大小。减去平行于斜面的驱动力191，计算出所述运动小球102的摩擦力大小，配合垂直 于斜面的正压力192,分析所述运动小球102和所述固定支撑物170在这个角度的摩擦系数。

[0101] 进一步，改变所述固定支撑物170放置角度、材质或改变所述运动小球102质量、材 质进行多样性测量，获取多项数据上传到上位机，在上位机用图形进行描绘，将测量数据直 观呈现给实验者。

[0102] 第十实施例

[0103] 图14示出了本实用新型利用压缩弹簧推动小球，测量弹性势能实验示意图。本实 验的目的是控制压缩弹簧的长度，通过测量运动小球的动能、加速度、摩擦力，推导弹簧的 弹性势能。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元110、微处理 器120、光波发射装置130、单向传输电路140、弹簧150、固定支撑物170和长度测量尺。两个 所述双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个所述单向传输 电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所述两个双脉冲 检测生成单元110,所述运动小球102可以在所述固定支撑物170上运动，在运动中可以遮挡 所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170水平放置。采用遮光法测量所述运 动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。

[0104] 实验准备，放松所述弹簧150并将所述运动小球102与所述弹簧150紧密接触，测量 所述运动小球102到第一所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量两个所述双脉冲检测生 成单元110的距离，测量所述运动小球102的质量。压缩所述弹簧150并将所述运动小球102 与所述弹簧150紧密接触，测量所述弹簧150的压缩长度。

[0105] 释放所述弹簧150,所述运动小球102在所述弹簧150的推力和摩擦力的作用下在 所述单向运动方向105的方向上做加速运动，到达原放松所述弹簧150位置时，所述运动小 球102失去推力，在摩擦力的作用下做减速运动。在至少1个位置上测出所述运动小球102 矢量速度、矢量加速度，计算出所述运动小球102的摩擦力、动量、所述弹簧150的最大推力 和弹性势能。进一步的，将测量数据上传到上位机，用图形方式描述能量转换情况。

[0106] 第十一实施例

[0107] 图15示出了本实用新型利用控制小球高度，通过L形轨道转变为水平动能测量实 验示意图。本实验的目的是控制运动小球的高度，通过测量运动小球的动能、加速度、摩擦 力，推导重力势能。本实施例包括运动小球102、单向运动方向105、双脉冲检测生成单元 110、微处理器120、光波发射装置130、单向传输电路140、L形轨道161、固定支撑物170和长 度测量尺。两个双脉冲检测生成单元110分别与两个所述单向传输电路140电连接，两个所 述单向传输电路140与所述微处理器120电连接，两个所述光波发射装置130分别正对所述 两个双脉冲检测生成单元110,所述运动小球102可以在所述固定支撑物170上运动，在运动 中可以遮挡所述光波发射装置130发射的光波，所述固定支撑物170水平放置。采用遮光法 测量所述运动小球102和所述静止小球103的矢量速度、矢量加速度。

[0108] 测量所述运动小球102与所述固定支撑物170的相对高度，测量L形轨道水平边缘 到第一所述双脉冲检测生成单元110的距离，测量两个所述双脉冲检测生成单元110的距 离，测量所述运动小球102的质量。释放所述运动小球102,在L形轨道161的作用下，所述运 动小球102的运动方向发生改变，从竖直运动转为水平运动。测量运动小球102在各所述双 脉冲检测生成单元110位置的矢量速度、矢量加速度，计算摩擦力、动能、重力势能，研宄能 量转换的效率。进一步的，将测量数据上传到上位机，用图形方式描述能量转换情况。

[0109] 应注意到:运动物体矢量速度测量的简单化、智能化、高效化、图形化，可以促使物 体其它属性的进一步高效研究，也可使矢量速度测量课堂化、学具化、工具化。

[0110] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖 直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者 是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和 操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区 分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0111] 此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而 是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构 一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

[0112] 在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设 置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接， 或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介 间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理 解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0113] 以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本 领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意 至IJ:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定 义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。