新型振動規(guī)律智能演示儀

◆山東省乳山市第一中學(xué) 馬心悅 黃騰達(dá) 劉翔昀

簡諧運(yùn)動和阻尼運(yùn)動是高中物理的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，現(xiàn)在高中物理新教材采用水平彈簧振子替代以前的砂擺演示簡諧運(yùn)動的圖像， 但目前實(shí)驗(yàn)室的簡諧運(yùn)動演示儀有諸多不足，比如，描繪圖像的筆不穩(wěn)定、用筆描圖時摩擦力較大、畫出的圖像不規(guī)范、實(shí)驗(yàn)效果差等。

其他用于該實(shí)驗(yàn)的演示裝置也或多或少存在不足，比如裝置控制系統(tǒng)不夠智能、精準(zhǔn)度低、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示方式落后等。

所以，我們萌發(fā)了設(shè)計一種自動化程度更高、效果更好的簡諧運(yùn)動與阻尼運(yùn)動演示裝置的想法。

一、基本思路

該演示裝置采用數(shù)字控制技術(shù)，機(jī)電一體。在安裝氣墊導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，讓彈簧振子在氣墊導(dǎo)軌上運(yùn)動，摩擦力極小，能最大限度地保證簡諧振動的等幅性。利用Arduino控制器，用程序控制電機(jī)運(yùn)行，從而帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動完成氣墊導(dǎo)軌的開啟與關(guān)閉、彈簧振子的起振與停振、在磁力畫板上繪制或擦除振動圖像、演示結(jié)果實(shí)時投放等，還可自動初始化，方便重復(fù)演示。

二、研究過程

1.初步方案

本裝置由電源系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。電源系統(tǒng)給主控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動板、氣泵、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等提供不同的工作電壓與電流。主控系統(tǒng)采用Arduino 2560控制器，是裝置的“大腦”，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。按鍵控制裝置的啟動、歸零。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的三個電機(jī)在主控芯片的指揮下，分別帶動舵機(jī)、畫板、磁力擦條運(yùn)動。

圖1 新型振動規(guī)律智能演示儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.模型制作及測試

這個裝置看起來簡單，但對于我們來說做起來很難。

機(jī)械傳動部分用到的零部件數(shù)量多，各個零部件之間要相互協(xié)調(diào)、尺寸精確對應(yīng)才能正常運(yùn)行。機(jī)械傳動部分的結(jié)構(gòu)形式會影響控制精準(zhǔn)度，如果處理不當(dāng)會造成運(yùn)動過程中出現(xiàn)不必要的抖動、顫動等問題，繼而導(dǎo)致演示結(jié)果不精準(zhǔn)。

如果需要演示多次，如何清除畫板上的畫線？采用手動還是電動的方式？手動方式最簡單，電動方式的難點(diǎn)在于機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件控制部分難以處理，因?yàn)槲覀儾捎玫碾姍C(jī)是步進(jìn)電機(jī)，不是普通的直流電機(jī)，需由程序控制才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序方面的知識，我們還需要邊學(xué)習(xí)、邊實(shí)踐。

3.確定方案

根據(jù)多次模型測試的結(jié)果，我們從軟件和硬件兩方面進(jìn)行了如下改進(jìn)。

（1）采用小型氣墊導(dǎo)軌演示彈簧振子運(yùn)動規(guī)律，可以極大減小摩擦力，最大程度地展現(xiàn)簡諧運(yùn)動的特點(diǎn)。為了保證彈簧振子處于水平運(yùn)動狀態(tài)，在機(jī)箱上表面安裝水平儀，通過調(diào)整機(jī)箱四腳的高度，使氣墊導(dǎo)軌處于水平狀態(tài)。

（2）裝置前端加裝一個LED指示燈，裝置通電后，系統(tǒng)初始化，指示燈閃爍之后長亮，提示裝置已完成準(zhǔn)備工作，可隨時待命。

（3）彈簧振子上安裝的圓形磁片可作為畫筆，振子運(yùn)動時可在磁力畫板上畫出圖像。

（4）程序控制繼電器的開合，從而自動控制氣泵啟動、關(guān)閉。

（5）利用Arduino控制器，通過編程控制電機(jī)X帶動氣墊導(dǎo)軌上方滑塊上的舵機(jī)運(yùn)動，讓舵機(jī)臂適時轉(zhuǎn)動90度，撥動振子，然后舵機(jī)臂回轉(zhuǎn)、歸零，從而代替手推、放振子使之起振的動作，操作更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定。

（6）控制器控制電機(jī)Y適時轉(zhuǎn)動，通過皮帶帶動磁力畫板推出、停止、收回。彈簧振子運(yùn)動過程中，畫筆被推出，可在磁力畫板上畫出振動圖像，即可直觀顯示振動物體的運(yùn)動規(guī)律。

（7）畫板下方安裝強(qiáng)磁條做成的擦條，控制器控制電機(jī)Z適時轉(zhuǎn)動，擦除上一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖像。

（8）實(shí)驗(yàn)效果可用兩種方式展示。第一種是在機(jī)箱上安裝可伸縮手機(jī)支架，使用時展開支架，將手機(jī)調(diào)整到合適的視角，利用投屏軟件，實(shí)時將演示效果投放在大屏幕上。第二種是采用視頻展臺，將演示效果實(shí)時傳輸?shù)酱笃聊簧稀?/p>

歷經(jīng)千辛萬苦，我們終于制作出原型機(jī)，經(jīng)測試，其各項(xiàng)功能基本達(dá)到了我們的預(yù)期。

三、創(chuàng)新點(diǎn)

該智能演示儀結(jié)構(gòu)科學(xué)緊湊，精準(zhǔn)度高，操作簡便，實(shí)用性強(qiáng)。按鍵控制程序自動運(yùn)行，能模擬人手控制彈簧振子起振、停振，畫筆可實(shí)時畫出運(yùn)動規(guī)律圖像，形象直觀，且圖像能自動擦除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能實(shí)時投放到屏幕上，展示效果好。

圖2 演示效果

四、進(jìn)一步的設(shè)想

1.完善控制程序，使儀器結(jié)構(gòu)更精簡，運(yùn)行更穩(wěn)定，精準(zhǔn)度更高。

2.縮小演示儀的體積，方便人們使用。

作者心聲

我們體驗(yàn)了一次完整的項(xiàng)目設(shè)計制作過程，盡管制作的原型機(jī)還存在不足，但我們通過這段創(chuàng)新經(jīng)歷，學(xué)到了許多書本上學(xué)不到的知識，拓寬了視野，提升了自身的科學(xué)素養(yǎng)。

專家點(diǎn)評

新型振動規(guī)律智能演示儀是一項(xiàng)用于高中物理教學(xué)的改進(jìn)型作品。該項(xiàng)目采用數(shù)字控制技術(shù)，機(jī)電一體，具備人手模擬功能，按鍵控制演示程序自動運(yùn)行，操作簡便，有一定的新穎性和實(shí)用性。能在學(xué)習(xí)中找到創(chuàng)新課題，對于高中生來說，實(shí)屬不易。

同時，該項(xiàng)目技術(shù)的綜合運(yùn)用較為復(fù)雜、制作難度大，體現(xiàn)了發(fā)明人勇于創(chuàng)新實(shí)踐、培養(yǎng)創(chuàng)新品格的決心與毅力。不足之處在于，模型體積過大且粗糙，建議進(jìn)一步完善與優(yōu)化，以便真正適合高中物理“簡諧振動和阻尼振動”的輔助教學(xué)。