基于Arduino和LabVIEW數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*
——以“探究影響單擺的周期因素”的單擺實(shí)驗(yàn)儀為例

陳文鋒 吳燦銘 李秀燕

(閩南師范大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 福建 漳州 363000)

1 引言

《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》強(qiáng)調(diào)要注重信息技術(shù)與教育的全面深度融合[1]．《基礎(chǔ)教育課程改革綱要》也明確提出“培養(yǎng)和發(fā)展人的信息素養(yǎng)要作為滲透素質(zhì)教育的核心要素”[2]．?dāng)?shù)字化實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用到物理教學(xué)中的典型代表，是促進(jìn)教育信息化的重要組成部分，也是促進(jìn)信息素養(yǎng)和物理學(xué)科核心素養(yǎng)達(dá)成的重要途徑．

Arduino是一款基于開(kāi)放原始代碼的簡(jiǎn)單I/O平臺(tái),包含硬件Arduino板和軟件ArduinoIDE，它能通過(guò)各種各樣的傳感器來(lái)感知、反饋和影響環(huán)境．LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI-National Instruments)研發(fā)的一款圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，具備強(qiáng)大的界面編程功能．

受文獻(xiàn)[3～5]啟發(fā)，筆者以Arduino單片機(jī)和LabVIEW虛擬儀器為基本平臺(tái)，研發(fā)便攜式數(shù)字化單擺周期測(cè)試系統(tǒng)，既提升了單擺周期測(cè)量的準(zhǔn)確性，優(yōu)化了數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理功能，又能在教與學(xué)的過(guò)程中潛移默化地提升了師生的信息素養(yǎng)與學(xué)科素養(yǎng)．

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

單擺，Arduino開(kāi)發(fā)板，Arduino IDE軟件，LabVIEW軟件，ZigBee無(wú)線通信模塊，光電門(mén)．

2.2 單擺測(cè)試系統(tǒng)

如圖1所示，單擺測(cè)試系統(tǒng)原理圖涉及Arduino下位機(jī)和LabVIEW上位機(jī)兩個(gè)核心部件．單擺測(cè)試系統(tǒng)有3個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是以作為控制核心的Arduino搭配光電門(mén)傳感器構(gòu)成，用于采集單擺的振動(dòng)周期；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由兩個(gè)ZigBee無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成，用于將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)即LabVIEW上位機(jī)，用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集結(jié)果，并繪制周期與擺球質(zhì)量、周期與擺角、單擺周期與擺長(zhǎng)等函數(shù)關(guān)系曲線．

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖2為單擺測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)物接線圖．3個(gè)子系統(tǒng)的工作過(guò)程如下.

圖2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物接線圖

首先，Arduino開(kāi)發(fā)板的9號(hào)模擬口作為光電門(mén)的數(shù)據(jù)端口，與光電門(mén)的數(shù)據(jù)線相連接，通過(guò)Arduino記錄單擺從最高點(diǎn)下落，第一次經(jīng)過(guò)光電門(mén)與第三次經(jīng)過(guò)光電門(mén)的時(shí)間差，即為單擺的一個(gè)完整周期，取3次振動(dòng)周期的平均值記錄；

其次，Arduino開(kāi)發(fā)板的12和13號(hào)模擬口作為無(wú)線通信模塊的收發(fā)口，配合兩個(gè)ZigBee無(wú)線通信模塊與LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通訊，從而把Arduino采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW上位機(jī)．

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示．

圖3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)程序框圖

數(shù)據(jù)處理界面圖如圖4所示，其中，①號(hào)窗口用于選擇正確的I/O端口，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的正確傳輸；②號(hào)窗口用于選擇數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)文件路徑；③號(hào)窗口用于輸入擺球質(zhì)量、擺角、擺長(zhǎng)等實(shí)驗(yàn)參數(shù)；④號(hào)窗口用于實(shí)時(shí)顯示光電門(mén)所測(cè)的單擺振動(dòng)周期；⑤號(hào)窗口可實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；⑥號(hào)窗口則用于繪制m-T，θ-T和l-T等函數(shù)關(guān)系曲線；⑦號(hào)位置可以顯示擬合曲線的函數(shù)．

圖4 數(shù)據(jù)處理界面

實(shí)物裝置圖則如圖5所示，主要包括能調(diào)節(jié)懸線長(zhǎng)度和配有光電門(mén)與角度儀的單擺實(shí)驗(yàn)裝置、Arduino模塊和安裝好LabVIEW處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)．

圖5 實(shí)物裝置圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1 實(shí)驗(yàn)要求

高中物理“探究影響單擺振動(dòng)周期的因素”實(shí)驗(yàn)中課標(biāo)[6]要求是能通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究單擺的周期與擺長(zhǎng)的定量關(guān)系．

下面就如何利用自制數(shù)字化單擺實(shí)驗(yàn)裝置，探究影響單擺周期的各種因素作詳細(xì)介紹．

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

步驟一：探究單擺的振動(dòng)周期與擺球質(zhì)量的關(guān)系

采用控制變量法，將單擺的擺線長(zhǎng)固定為0.15 m，擺角統(tǒng)一為5°．選擇20 g鐵球，10 g木球，5 g塑料球作為擺球，通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析所測(cè)周期與擺球質(zhì)量的關(guān)系．

先取20 g鐵球作為擺球，安裝好單擺實(shí)驗(yàn)裝置，從5°擺角處，無(wú)初速度釋放擺球，觀察單擺的振動(dòng)情況，在確保小球做單擺運(yùn)動(dòng)后，利用光電門(mén)自動(dòng)記錄單擺振動(dòng)周期，Arduino接受光電門(mén)的數(shù)據(jù)信號(hào)并傳給無(wú)線串口Zigbee A，無(wú)線串口Zigbee A將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送給無(wú)線串口Zigbee B，無(wú)線串口Zigbee B再將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)中的LabVIEW程序進(jìn)行處理和顯示．具體步驟如下：先在①號(hào)窗口選擇COM4作為串口端；在②號(hào)窗口選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件路徑；在③號(hào)窗口輸入擺球質(zhì)量、擺角、擺長(zhǎng)3個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)；則在④號(hào)窗口中可實(shí)時(shí)顯示光電門(mén)所測(cè)的單擺振動(dòng)周期．

將小球更換為10 g木球，5 g塑料球后，重復(fù)以上過(guò)程，在⑤號(hào)窗口可實(shí)時(shí)顯示每次測(cè)量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢以后點(diǎn)擊畫(huà)圖按鈕，則在⑥號(hào)窗口可繪制m-T函數(shù)關(guān)系曲線．

由圖6所示測(cè)量結(jié)果可知，m-T函數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)為一水平直線，說(shuō)明隨質(zhì)量的增加，周期不變，從而向?qū)W生說(shuō)明單擺的周期與擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)．

圖6 單擺振動(dòng)周期與擺球質(zhì)量的關(guān)系圖像

步驟二：探究單擺的振動(dòng)周期與擺角的關(guān)系

此時(shí)，將單擺的擺線長(zhǎng)固定為0.15 m，擺球質(zhì)量統(tǒng)一為20 g．選擇2°、5°和8°作為擺角，分析所測(cè)周期與擺角的關(guān)系．

每次固定一個(gè)擺角后，同樣利用光電門(mén)自動(dòng)記錄單擺的周期，利用Arduino和無(wú)線串口的藍(lán)牙傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的接收與發(fā)送，最后傳給計(jì)算機(jī)中的LabVIEW程序處理顯示．①②③④號(hào)窗口的操作與步驟一相似．

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢以后點(diǎn)擊畫(huà)圖按鈕，在⑥號(hào)窗口也可繪制得到θ-T函數(shù)關(guān)系曲線．由圖7可知，此時(shí)θ-T函數(shù)在誤差允許的范圍內(nèi)也為一水平直線，同樣可向?qū)W生說(shuō)明隨擺角的增長(zhǎng)，周期并沒(méi)有隨之發(fā)生變化，因此，單擺的周期與擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)．

圖7 單擺振動(dòng)周期與擺角的關(guān)系圖像

步驟三：探究單擺的振動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系

此時(shí)，將單擺的擺球質(zhì)量同樣固定為20 g，擺角仍統(tǒng)一為5°．將擺線從0.15 m開(kāi)始以0.02 m為間隔，逐次遞增擺長(zhǎng)至0.31 m，分析所測(cè)周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系．

每改變一次擺長(zhǎng)，參考步驟一，重復(fù)以上①②③④號(hào)窗口的操作．在⑤號(hào)窗口可觀測(cè)每次測(cè)量所得的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．當(dāng)數(shù)據(jù)全部采集完畢以后點(diǎn)擊畫(huà)圖按鈕，則在⑥號(hào)窗口可獲得l-T函數(shù)關(guān)系曲線．由圖8的l-T函數(shù)關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著擺線長(zhǎng)度增長(zhǎng)，單擺的振動(dòng)周期也隨之增大.

圖8 單擺振動(dòng)周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系圖像

利用LabVIEW的曲線擬合功能，由圖8可得此時(shí)單擺周期和擺長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系為T(mén)=2.03l0.51，由此可知，單擺的周期與擺線的方根有一定的關(guān)系．為進(jìn)一步驗(yàn)證猜想，再次利用LabVIEW的曲線擬合功能，得出l-T2的函數(shù)關(guān)系曲線，擬合后的方程為T(mén)2=4.076l-0.016≈4.076l，由此可知，在誤差允許的范圍內(nèi)周期的平方與擺長(zhǎng)近似成正比關(guān)系．

通過(guò)數(shù)字化單擺實(shí)驗(yàn)儀，從步驟一操作到步驟三，可得出單擺的周期與擺角、擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擺長(zhǎng)的方根近似成正比關(guān)系．

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Arduino單片機(jī)和LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的數(shù)字化便攜式單擺實(shí)驗(yàn)裝置，既克服了傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)周期測(cè)量不確定、數(shù)據(jù)分析不直觀等缺點(diǎn)，也規(guī)避了成套DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴、不易攜帶而較難普及等不足；通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)繪制的質(zhì)量、擺角、擺長(zhǎng)和周期的函數(shù)圖像，可讓學(xué)生直觀觀測(cè)影響單擺周期的因素；師生在數(shù)字化教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)與利用的過(guò)程中，無(wú)形中促進(jìn)了信息素養(yǎng)和物理學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成.利用Arduino與LabVIEW 搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性，能在同一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)多個(gè)數(shù)字實(shí)驗(yàn)，便攜節(jié)能；此外，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，學(xué)生通過(guò)參與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器并完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，會(huì)在獲得基本的實(shí)驗(yàn)探究知識(shí)、能力、技巧之外，促進(jìn)學(xué)生未來(lái)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的能力提升.