新型振動(dòng)規(guī)律智能演示儀

馬心悅 黃騰達(dá) 劉翔昀

本期點(diǎn)評(píng)專家

譚迪熬 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家，中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師，教育部國(guó)培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和阻尼運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像， 但目前實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)一種自動(dòng)化程度更高、效果更好的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與阻尼運(yùn)動(dòng)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(dòng)，摩擦力極小，能最大限度地保證簡(jiǎn)諧振動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)完成氣墊導(dǎo)軌的開(kāi)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(dòng)圖像、演示結(jié)果實(shí)時(shí)投放等，還可自動(dòng)初始化，方便重復(fù)演示。

二、研究過(guò)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(dòng)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(dòng)、歸零。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的三個(gè)電機(jī)在主控芯片的指揮下，分別帶動(dòng)舵機(jī)、畫板、磁力擦條運(yùn)動(dòng)。

2.模型制作及測(cè)試

這個(gè)裝置看起來(lái)簡(jiǎn)單，但對(duì)于我們來(lái)說(shuō)做起來(lái)很難。

機(jī)械傳動(dòng)部分用到的零部件數(shù)量多，各個(gè)零部件之間要相互協(xié)調(diào)、尺寸精確對(duì)應(yīng)才能正常運(yùn)行。機(jī)械傳動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)形式會(huì)影響控制精準(zhǔn)度，如果處理不當(dāng)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)不必要的抖動(dòng)、顫動(dòng)等問(wèn)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(dòng)還是電動(dòng)的方式？手動(dòng)方式最簡(jiǎn)單，電動(dòng)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(dòng)程序方面的知識(shí)，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(cè)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(dòng)規(guī)律，可以極大減小摩擦力，最大程度地展現(xiàn)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。為了保證彈簧振子處于水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在機(jī)箱上表面安裝水平儀，通過(guò)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(gè)LED指示燈，裝置通電后，系統(tǒng)初始化，指示燈閃爍之后長(zhǎng)亮，提示裝置已完成準(zhǔn)備工作，可隨時(shí)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(dòng)時(shí)可在磁力畫板上畫出圖像。

（4）程序控制繼電器的開(kāi)合，從而自動(dòng)控制氣泵啟動(dòng)、關(guān)閉。

（5）利用Arduino控制器，通過(guò)編程控制電機(jī)X帶動(dòng)氣墊導(dǎo)軌上方滑塊上的舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，讓舵機(jī)臂適時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90度，撥動(dòng)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(dòng)作，操作更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定。

（6）控制器控制電機(jī)Y適時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶帶動(dòng)磁力畫板推出、停止、收回。彈簧振子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，畫筆被推出，可在磁力畫板上畫出振動(dòng)圖像，即可直觀顯示振動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)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(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)展開(kāi)支架，將手機(jī)調(diào)整到合適的視角，利用投屏軟件，實(shí)時(shí)將演示效果投放在大屏幕上。第二種是采用視頻展臺(tái)，將演示效果實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱笃聊簧稀?/p>

歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦，我們終于制作出原型機(jī)，經(jīng)測(cè)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(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)。按鍵控制程序自動(dòng)運(yùn)行，能模擬人手控制彈簧振子起振、停振，畫筆可實(shí)時(shí)畫出運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖像，形象直觀，且圖像能自動(dòng)擦除。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能實(shí)時(shí)投放到屏幕上，展示效果好。

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(jiǎn)，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。（指導(dǎo)老師：耿志偉 ?馬金民）

作者心聲

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

專家點(diǎn)評(píng)

新型振動(dòng)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(dòng)運(yùn)行，操作簡(jiǎn)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(duì)于高中生來(lái)說(shuō)，實(shí)屬不易。

同時(shí)，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(guò)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(jiǎn)諧振動(dòng)和阻尼振動(dòng)”的輔助教學(xué)。53A48330-89AD-4908-8B7F-05443E8D5C10