基于藍(lán)牙技術(shù)的向心力探究演示儀

藍(lán) 榮

(柳州高級中學(xué)，廣西 柳州 545006)

向心力是人教版教材必修2第5章曲線運動第6節(jié)課的內(nèi)容[1]. 教材中對向心力知識的處理首先通過速度的矢量圖求出向心加速度，接著通過牛頓第二定律推導(dǎo)出向心力的表達(dá)式，這對學(xué)生的數(shù)學(xué)要求比較高，很多學(xué)生處于一知半解的狀態(tài). 在實際教學(xué)中所采用的向心力演示儀J2130其結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，誤差很大，且其演示作用主要還是以定性研究為主，說服力不強(qiáng). 文獻(xiàn)[2]對向心力探究演示儀進(jìn)行了改進(jìn),在一定程度上實現(xiàn)了定性分析，但其數(shù)據(jù)傳輸為有線傳輸. 為此筆者設(shè)計了基于藍(lán)牙技術(shù)的向心力探究演示儀，該儀器能夠準(zhǔn)確測出小球做圓周運動的向心力、圓周半徑及角速度，以很小的誤差實現(xiàn)了定量測量.

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于藍(lán)牙技術(shù)的向心力探究演示儀由數(shù)據(jù)采集發(fā)射器和電機(jī)控制及數(shù)據(jù)接收顯示2部分組成. 數(shù)據(jù)采集發(fā)射器系統(tǒng)如圖1所示，包含Arduino mini、位移傳感器、力學(xué)傳感器和藍(lán)牙模塊組成. 傳感器采集小球做圓周運動的向心力、半徑等數(shù)據(jù)之后由Arduino通過藍(lán)牙模塊依次將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收部分并顯示出來. 電機(jī)控制及數(shù)據(jù)接收顯示部分如圖2所示，由Arduino UNO、LED數(shù)碼顯示模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊及藍(lán)牙模塊組成. 該部分有2個功能，其中一個功能是通過藍(lán)牙模塊接收并顯示發(fā)射器的數(shù)據(jù)，另外一個功能是精確調(diào)節(jié)小球做圓周運動的轉(zhuǎn)速.

圖1 數(shù)據(jù)采集發(fā)射器原理圖

圖2 電機(jī)控制及數(shù)據(jù)接收原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

演示儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3和圖4所示. 通過調(diào)節(jié)發(fā)射器緊固旋鈕可以調(diào)節(jié)鐵球做圓周運動的半徑，并通過容柵位移傳感器測量圓周運動的半徑. 數(shù)據(jù)采集發(fā)射器上安裝有壓力傳感器，它的步進(jìn)電機(jī)安裝在底盤內(nèi)，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕可以改變轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)小球做圓周運動的角速度. 通過步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換開關(guān)可以改變圓周運動的方向. 通過手動、自動調(diào)節(jié)旋鈕可以顯示出小球的質(zhì)量、圓周運動的半徑、周期、向心力等物理量.

作用是測量鐵球做圓周運動的周期. 調(diào)節(jié)緊固旋鈕，可以將數(shù)據(jù)采集器水平放置，此時可以測量出小球的質(zhì)量. 配重塊的作用是減小小球做圓周運動時產(chǎn)生的晃動.

圖3 向心力探究演示儀結(jié)構(gòu)圖

圖4 向心力探究演示儀實物圖

3 軟件設(shè)計

電機(jī)控制及數(shù)據(jù)接收流程圖如圖5所示，發(fā)射器程序流程圖如圖6所示，打開電源開關(guān)后，使用電機(jī)速度調(diào)節(jié)旋鈕開始調(diào)速，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定后系統(tǒng)開始采集步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為角速度與周期并保存. 當(dāng)接收到藍(lán)牙傳輸?shù)馁|(zhì)量、半徑以及向心力的數(shù)據(jù)后，依次保存數(shù)據(jù)，并依次通過LED數(shù)碼顯示管顯示角速度、周期、質(zhì)量、半徑以及向心力等測量數(shù)據(jù). 學(xué)生將數(shù)據(jù)代入向心力的公式通過計算，就可以驗證向心力公式的正確性.

圖5 電機(jī)控制及數(shù)據(jù)接收程序流程圖

圖6 發(fā)射器程序流程圖

4 儀器性能測試

4.1 驗證向心力的公式

由于小球在平面上做圓周運動，其向心力由發(fā)射器的彈力提供. 驗證時，測定小球的質(zhì)量、小球做圓周運動的半徑不變，采集電機(jī)的轉(zhuǎn)速得出角速度，運用圓周運動向心力的公式F=mω2r，可以算出小球做圓周運動的向心力理論值. 將理論值與測得的彈力比較就可以驗證向心力的公式. 實際測量數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 測量向心力的實驗數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可以看出：向心力測量值總是小于理論值，相對偏差平均值為2.58%，存在誤差的原因主要有：1)旋轉(zhuǎn)桿對小球有一定的摩擦力，該摩擦力也提供了向心力；2)旋轉(zhuǎn)桿在旋轉(zhuǎn)過程中無法精確地保持水平，導(dǎo)致小球的重力的分力也提供了向心力.

總之，在誤差允許范圍之內(nèi)，由向心力的公式計算出的理論值等于小球所受彈力的大小.

4.2 探究向心力與周期、半徑的關(guān)系

采用控制變量法，使小球做圓周運動的半徑不變，通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變周期，數(shù)據(jù)如表2所示. 采用控制變量法，保持小球做圓周運動的周期恒定，改變圓周運動的半徑，測量數(shù)據(jù)如表3所示. 使用朗威數(shù)字化實驗室數(shù)據(jù)處理平臺進(jìn)行繪圖，作出圖像F-T-2和F-R圖像，如圖7～8所示.

表2 不同周期下的向心力

表3 不同半徑下的向心力

由圖7～8可以看出，當(dāng)保持半徑r不變時改變周期T，F(xiàn)與T-2成線性關(guān)系；當(dāng)保持周期T不變時，改變圓周運動的半徑r,F與r大致成線性關(guān)系.

圖7 r不變時F-T-2擬合圖像

圖8 T不變時F-r擬合圖像

5 結(jié)束語

采用壓力傳感器、紅外測距及光電門計時器的多位一體無線傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憬菪院头€(wěn)定性，避免了有線傳輸?shù)恼`差影響. 采用高亮度LED數(shù)碼管顯示，可視性強(qiáng)，效果明顯，其可調(diào)速裝置保證圓周運動的穩(wěn)定性和可靠性，而圓周托盤的設(shè)計，保證了圓周運動在水平面進(jìn)行. 該演示器不僅可以驗證向心力的公式，教師可以通過控制變量法讓學(xué)生探究向心力與周期的關(guān)系、向心力與半徑的關(guān)系等實驗，可結(jié)合LabVIEW軟件平臺，讓向心力探究演示器數(shù)據(jù)可視化更強(qiáng).