可移動(dòng)式智能單擺演示儀的開發(fā)與應(yīng)用 ①

肖亮松 尤立娟 吳蓁蓁 林澤航

(廣東省汕頭華僑中學(xué)，廣東 汕頭 515000)

1 背景

“用單擺測(cè)量重力加速度的大小”是《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》規(guī)定的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)，目前在教學(xué)中使用的裝置存在以下問題：(1) 整個(gè)裝置非常笨重，不方便攜帶；(2) 在釋放擺球的時(shí)候很難實(shí)現(xiàn)初速度為零，容易變成圓錐擺，并因此增大了實(shí)驗(yàn)誤差；(3) 由于實(shí)驗(yàn)者靠肉眼判斷擺球經(jīng)過最低點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)誤差較大。筆者經(jīng)過反復(fù)研究，不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)、制作了“可移動(dòng)式智能單擺演示儀”，不僅解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題，還把實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，既發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，又使實(shí)驗(yàn)原理和方法的教學(xué)自然順暢。

2 可移動(dòng)式智能單擺演示儀的開發(fā)

2.1 構(gòu)造和原理

可移動(dòng)式智能單擺演示儀由4部分組成：

(1) 電磁鐵

如圖1所示，電磁鐵由開關(guān)控制，通電時(shí)可吸住小球，斷電后可釋放小球，保證小球釋放時(shí)的初速度為0。

圖1

(2) 擺球裝置

如圖2所示，在支架上固定繩子的一端，繩子的另一端連接小球。

圖2

(3) 光電門

如圖3、圖4所示，光電門由無線鼠標(biāo)改造而成，主要部件是無線鼠標(biāo)、激光發(fā)射器和探測(cè)器等。小球擺動(dòng)經(jīng)過光電門時(shí)遮住激光束，此時(shí)光電門電路中有電流流過，給無線鼠標(biāo)一個(gè)信號(hào)，無線鼠標(biāo)將采集到的信號(hào)通過插在手機(jī)上的無線接收器傳輸?shù)绞謾C(jī)中，手機(jī)APP程序開始計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)。

圖3

圖4

2.1.4 手機(jī)數(shù)據(jù)接收端

手機(jī)數(shù)據(jù)接收端由手機(jī)和無線鼠標(biāo)接收器通過typeC轉(zhuǎn)接頭連在一起而構(gòu)成，在手機(jī)內(nèi)預(yù)先裝好了用flash AIR編寫好的手機(jī)APP程序。輸入相關(guān)信息，該程序可以自動(dòng)進(jìn)行計(jì)時(shí)和計(jì)算，并把單擺周期以及重力加速度的計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出來(圖5)。

圖5

使用可移動(dòng)式智能單擺演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為增強(qiáng)可視化也可將手機(jī)APP程序投屏到電腦屏上(圖6)。

圖6

2.2 優(yōu)點(diǎn)

(1) 利用自制的光電門，比傳統(tǒng)光電門的測(cè)量更加方便和準(zhǔn)確。

(2) 利用無線鼠標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或手機(jī)上呈現(xiàn)，且成本低廉、制作方便。

(3) 將自編的手機(jī)APP程序用于計(jì)時(shí)和計(jì)算，使單擺周期的計(jì)時(shí)更加方便和準(zhǔn)確，使重力加速度的計(jì)算更加便捷，并可通過手機(jī)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，也可利用手機(jī)投屏功能，投屏到電腦屏上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)可視性。

(4) 用電磁鐵釋放擺球，更容易控制。

(5) 整套裝置用不銹鋼角鐵做支架，通過強(qiáng)磁鐵可吸附在黑板上，攜帶、安裝都很方便。

3 可移動(dòng)式智能單擺演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 單擺周期的測(cè)量和計(jì)算

利用可移動(dòng)式智能單擺演示儀，可快速采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算出單擺周期，其操作如下：

(1) 在手機(jī)APP程序中輸入單擺的擺長(zhǎng)和需要測(cè)量的單擺周期的個(gè)數(shù)；

(2) 斷開電磁鐵使小球從靜止開始擺動(dòng)，小球擺動(dòng)到平衡位置時(shí)觸發(fā)光電門使得APP程序開始計(jì)時(shí)，當(dāng)小球完成設(shè)定的全振動(dòng)次數(shù)時(shí)停止計(jì)時(shí)，自動(dòng)把振動(dòng)時(shí)間除以全振動(dòng)的次數(shù)，得到單擺的周期并呈現(xiàn)出來。

3.2 測(cè)量重力加速度的大小

改變手機(jī)APP程序中輸入的單擺的擺長(zhǎng)或需要測(cè)量的單擺全振動(dòng)的次數(shù)，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出重力加速度的平均值(實(shí)驗(yàn)值)，把計(jì)算得出的重力加速度的平均值與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊臄?shù)值(真實(shí)值)進(jìn)行比較，可得到實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差值(表1)。

表1

4 可移動(dòng)式智能單擺演示儀的教學(xué)應(yīng)用評(píng)價(jià)

將可移動(dòng)式智能單擺演示儀應(yīng)用于教學(xué)的實(shí)踐表明，該演示儀攜帶、安裝方便，智能化程度較高且操作簡(jiǎn)單，無論是教師還是學(xué)生都能很快掌握其使用方法。

該演示儀利用電磁鐵釋放擺球，能保證擺球釋放時(shí)初速度為0，更加符合單擺的定義，解決了以往用傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)裝置釋放擺球時(shí)初速度不為0所產(chǎn)生的問題。

該演示儀與現(xiàn)代信息技術(shù)完美結(jié)合，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取都非常方便快捷，而且能夠在手機(jī)或電腦屏上清晰呈現(xiàn)，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)效果更好。

5 結(jié)語

經(jīng)過筆者不斷的研究和努力，使得可移動(dòng)式智能單擺演示儀基本保留了傳統(tǒng)單擺實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，又融入了傳感器技術(shù)，并且還能與手機(jī)、電腦有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)的信息化、現(xiàn)代化。筆者的研究還存在不足，比如單擺的擺長(zhǎng)還不能實(shí)現(xiàn)更方便、更準(zhǔn)確的測(cè)量，這是接下來要進(jìn)行攻關(guān)的問題。筆者還打算把可移動(dòng)式智能單擺演示儀與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，開發(fā)成可讓實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)室以外的地方就能進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的實(shí)驗(yàn)裝置。