單擺振動(dòng)圖像演示儀的改進(jìn)

馮彩儀，程敏熙，郭可馨

(華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

人教版高中物理選修(3-4)第11章第4節(jié)中“注射器噴墨法”獲取單擺振動(dòng)圖像的演示實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中存在諸多不足：1)注射器中的墨水不易控制而流動(dòng)不止，容易把紙弄臟；2)勻速拖動(dòng)白紙難以操作，導(dǎo)致圖像準(zhǔn)確度欠佳；3)教師演示時(shí)難以實(shí)現(xiàn)描繪的同時(shí)讓全班學(xué)生看清圖像的形成過程[1-3]；4)振動(dòng)圖像不能方便地重復(fù)獲取. 基于此，筆者受光電鼠標(biāo)追蹤技術(shù)[4]的啟發(fā)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置和原理

實(shí)驗(yàn)裝置包括硬件和軟件2部分：硬件部分如圖1所示，在懸掛的擺球中放置光電鼠標(biāo)，其無線接收端接入電腦USB端口中，在擺球下方放置感光板(實(shí)際為鼠標(biāo)墊)使光電鼠標(biāo)得到感應(yīng). 當(dāng)擺球擺動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)指針在電腦屏幕中移動(dòng)，從而相當(dāng)于把擺球的運(yùn)動(dòng)軌跡投影到屏幕上. 軟件部分是窗體應(yīng)用程序“Move”，用于描繪單擺振動(dòng)圖像，并同時(shí)測(cè)量時(shí)間.

圖1 單擺振動(dòng)演示儀

2 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

2.1 硬件部分的制作

1) 準(zhǔn)備材料:塑料空心吊球(直徑為7cm)、002型號(hào)指環(huán)光電鼠標(biāo)、鼠標(biāo)墊、保鮮膜、150g細(xì)沙、尼龍繩、泡沫、卡紙.

2) 把沙子裝入保鮮膜中制成沙包，均勻地填充塑料球，并在球的中部預(yù)留空間放置光電鼠標(biāo).

3) 在球的下方開孔，孔的大小稍大于光電鼠標(biāo)的底面積.

4) 制作合適的空心柱狀泡沫，放入球的中部與沙子緊貼，用于固定光電鼠標(biāo)，如圖2所示.

圖2 擺球

5) 用2根尼龍繩把做好的擺球懸掛起來形成雙線擺(雙線可保證擺球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)).

6) 取長(zhǎng)30cm、寬13cm、高5cm矩形泡沫板，根據(jù)擺球擺動(dòng)的幅度，將泡沫板的一面做成弧面，并鋪上鼠標(biāo)墊或其他感光材料，另外用卡紙對(duì)泡沫板進(jìn)行簡(jiǎn)單包裝，如圖3所示.

圖3 用卡紙包裝后的泡沫板

2.2 軟件部分的制作

用C#編寫窗體應(yīng)用程序“Move”[5-7]，實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：

1)畫圖功能,任意按下鼠標(biāo)時(shí)，可畫任意曲線.

2)計(jì)時(shí)功能,在軟件界面右下角同步顯示描繪單擺振動(dòng)圖像所用的時(shí)間,從而得到擺球振動(dòng)1次所用時(shí)間即周期.

3)在軟件上模擬勻速拖動(dòng)紙板過程的功能,添加時(shí)間軸，即鼠標(biāo)指針按一定速度從左往右平移像素點(diǎn)，設(shè)置快捷鍵“S”和“P”，分別控制時(shí)間軸的開啟與關(guān)閉.

4)擦除功能,設(shè)置快捷鍵“E”，實(shí)現(xiàn)擦除已畫曲線的功能.

以下是程序代碼的主體部分:

namespaceMove

{

publicpartialclassForm1:Form

{

privateboolCanMove=false;

publicPointstartpt,endpt;

[DllImport(“user32”)]

privatestaticexternintmouse_event(intdwFlags,intdx,intdy,intcButtons,intdwExtraInfo);

privateconstintMOUSEEVENTF_MOVE= 0x0001;

privateconstintMOUSEEVENTF_ABSOLUTE=0x8000;

privateintt= 0;

publicForm1()

{

InitializeComponent();

}

privatevoidForm1_MouseDown(objectsender,MouseEventArgse)

{

This.CanMove=true;

Startpt.X=e.X;

Startpt.Y=e.Y;

}

privatevoidForm1_MouseMove(objectsender,MouseEventArgse)

{

if(this.CanMove==true)

{

Graphicsg=this.CreateGraphics();

Endpt.X=e.X;

Endpt.Y=e.Y;

g.DrawLine(newPen(Color.Red, 3),startpt,endpt);

startpt=endpt;

}

}

privatevoidForm1_MouseUp(objectsender,MouseEventArgse)

{

Graphicsg=this.CreateGraphics();

g.DrawLine(newPen(Color.Red,1),this.startpt,newPoint(e.X,e.Y));

this.CanMove=false;

}

privatevoidForm1_Load(objectsender,EventArgse)

{

This.timer1.Enabled=false;

This.timer1 =this.timer1 =newSystem.Windows.Forms.Timer();

This.timer1.Interval= 20;

This.timer1.Tick+=newEventHandler(timer1_Tick);

}

privatevoidtimer1_Tick(objectsender,EventArgse)

{

intwidth=Screen.PrimaryScreen.Bounds.Width;

intheight=Screen.PrimaryScreen.Bounds.Height;

intoffsetX= (MousePosition.X+ 3) * 65535 /width;

intoffsetY= (MousePosition.Y+ 1) * 65535 /height;

mouse_event(MOUSEEVENTF_ABSOLUTE|MOUSEEVENTF_MOVE,offsetX,offsetY, 0, 0);

}

}

}

3 教學(xué)演示

1)演示前，把光電鼠標(biāo)的無線接收端接入電腦USB端口中，打開開關(guān)并放入擺球中，把感光板放到擺球的下方，調(diào)節(jié)兩者距離在2mm范圍內(nèi)，但不接觸.

2)調(diào)節(jié)光電鼠標(biāo)在擺球中的位置以達(dá)到效果：擺球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，鼠標(biāo)指針在計(jì)算機(jī)屏幕中的上下移動(dòng).

3)在計(jì)算機(jī)中選擇“控制面板-個(gè)性化-更改鼠標(biāo)指針-指針選項(xiàng)”降低鼠標(biāo)指針移動(dòng)的精確度，打開“Move”軟件的界面，拖動(dòng)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)使指針移到界面左側(cè)(合適位置).

4)小角度拉開擺球并靜止釋放，觀察到鼠標(biāo)指針在屏幕中上下移動(dòng).

5)按下快捷鍵“S”以啟動(dòng)時(shí)間軸，指針的勻速右移與上下移動(dòng)相結(jié)合，同時(shí)按下計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)左鍵進(jìn)行畫圖，擺球振動(dòng)一定次數(shù)后，按下快捷鍵“P”以結(jié)束指針右移，同時(shí)松開鼠標(biāo)左鍵，結(jié)束畫圖，得到單擺振動(dòng)圖像如圖4所示.可清晰看到，圖中的振動(dòng)圖像為正弦函數(shù)圖像，振動(dòng)9個(gè)周期，界面右下角顯示時(shí)間為11.75s，從而得到單擺振動(dòng)周期為1.31s.

圖4 單擺振動(dòng)圖像

6)如果操作過程中由于外界干擾使感光出錯(cuò)導(dǎo)致畫出的圖線欠佳，可以按下快捷鍵“E”擦除已畫的圖線，重新進(jìn)行畫圖.

4 結(jié)束語

該實(shí)驗(yàn)儀器的制作取材容易，操作簡(jiǎn)單，方便攜帶. 光學(xué)感應(yīng)器高精度的光學(xué)引擎使得描繪的振動(dòng)圖像準(zhǔn)確度更高，而且對(duì)描繪的振動(dòng)圖像進(jìn)行計(jì)時(shí)，容易得到較為準(zhǔn)確的周期，同時(shí)可以方便地探究擺長(zhǎng)與周期的關(guān)系.

參考文獻(xiàn)：

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