J2130傳統(tǒng)向心力演示儀的創(chuàng)新改進(jìn)

陳劍峰

摘 要：筆者利用Visual Basic語(yǔ)言和STC89C52單片機(jī)及DIY無(wú)線光電計(jì)時(shí)器，對(duì)傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器更直觀，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)精確。通過(guò)定量探究得到物理規(guī)律，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶更加深刻，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維能力，開(kāi)拓創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：STC89C52；Visual Basic；光電計(jì)時(shí)；向心力；影響因素；定量探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）3-0054-3

1 該項(xiàng)目選題的確定

在現(xiàn)行高中物理教材中，F(xiàn)=Mω2r的確立非常抽象，是教材的重難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)高中物理一直使用的傳統(tǒng)J2130演示儀（如圖1）。旋臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)臂上的鋼球產(chǎn)生離心現(xiàn)象，沿半徑方向移動(dòng)，改變了半徑及動(dòng)力臂值，測(cè)出來(lái)的向心力有偏差；該演示儀又是手搖轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；只能目測(cè)向心力的大小，誤差很大；實(shí)驗(yàn)只能定性地說(shuō)明向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系[1]。

利用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的影響因素，如圖2。較難使小球做圓周運(yùn)動(dòng)及確定擺球沿哪個(gè)圓做圓周運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致半徑R及H值誤差大[2]。

近年來(lái)的DISLab數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，雖然數(shù)據(jù)很精確，但價(jià)格較貴。有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件復(fù)雜，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程卻淡化了[2]。

為解決以上的問(wèn)題，筆者在理論與實(shí)踐結(jié)合的過(guò)程中，對(duì)傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn)。

2 本實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

2.1 儀器制作的主要材料

Visual Basic、無(wú)線鼠標(biāo)、光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)、STC89C52單片機(jī)自制無(wú)線向心力測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、穩(wěn)壓電源、開(kāi)關(guān)、減速電機(jī)、調(diào)速電路、砝碼、自行車輻條、黑色擋光桿、有機(jī)玻璃（三角支架、旋轉(zhuǎn)軸、底座等）、螺絲若干、導(dǎo)線若干。

2.2 制作說(shuō)明

用有機(jī)玻璃做成底座；利用紅外光電感應(yīng)開(kāi)關(guān)，將其信號(hào)端接入無(wú)線鼠標(biāo)芯片中，控制IO引腳；利用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)單擊計(jì)時(shí)程序（千分之一秒），自制光電門(mén)；將砝碼中心打個(gè)直徑為2 mm的孔（自行車輻條剛好穿過(guò)），砝碼的側(cè)面鉆螺絲孔（將砝碼固定在輻條上），在轉(zhuǎn)板上以中心點(diǎn)為0刻上刻度線（用來(lái)快速控制、讀出半徑值）；切割有機(jī)玻璃條做成旋轉(zhuǎn)軸板，在軸板的一側(cè)固定兩塊三角形凹槽支架，用來(lái)架設(shè)軸桿，最外側(cè)固定擋光桿；采用STC89C52單片機(jī)研制無(wú)線向心力測(cè)量裝置，利用VB上位機(jī)通過(guò)串口與單片機(jī)通信；軟件界面設(shè)計(jì)為一主界面及三實(shí)驗(yàn)界面組成?？梢詮闹鹘缑孢M(jìn)入任意一實(shí)驗(yàn)界面，也可從任意一實(shí)驗(yàn)界面返回主界面；實(shí)驗(yàn)界面之一的計(jì)時(shí)欄，在TEXT顯示周期值，并通過(guò)公式自動(dòng)轉(zhuǎn)化為角速度顯示在TEXT1中。通過(guò)Visual Basic語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)（鼠標(biāo)的光標(biāo)移到哪個(gè)空格，數(shù)據(jù)將自動(dòng)填入該空格），為實(shí)驗(yàn)探究節(jié)省了大量的時(shí)間；利用Visual Basic語(yǔ)言調(diào)用EXCEL，實(shí)現(xiàn)快速處理數(shù)據(jù)（描點(diǎn)、擬合顯示物理量的關(guān)系）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)有截圖功能，實(shí)現(xiàn)快速保存數(shù)據(jù)及結(jié)論[3]。

2.3 整體系統(tǒng)圖（如圖3、圖4）

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）打開(kāi)計(jì)算機(jī)，組裝好儀器，打開(kāi)向心力實(shí)驗(yàn)軟件的主界面，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面；

（2）利用電子秤分別測(cè)量砝碼的質(zhì)量（包括指針），將橫桿穿過(guò)砝碼中心，外端上個(gè)螺絲固定，將橫桿架設(shè)在三角形支架的凹槽內(nèi)，橫桿的另一端與無(wú)線向心力測(cè)量裝置的掛鉤對(duì)接；

（3）讀出砝碼上指針對(duì)準(zhǔn)的刻度，記錄半徑R；

（4）閉合開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定后記錄旋轉(zhuǎn)的周期，軟件根據(jù)ω=2π/t自動(dòng)算出角速度，并顯示在TEXT1中，將鼠標(biāo)光標(biāo)移至角速度數(shù)據(jù)欄，TEXT1中的角速度值將自動(dòng)記錄在對(duì)應(yīng)的表格中；同時(shí)，無(wú)線向心力測(cè)量裝置自動(dòng)將向心力的測(cè)量記錄到對(duì)應(yīng)的表格中；

（5）調(diào)整調(diào)速旋鈕，改變角速度ω，重新測(cè)量F（探究F與ω的關(guān)系）；

或改變砝碼的質(zhì)量，并調(diào)整調(diào)速旋鈕，控制角速度ω恒定，重新測(cè)量F（探究F與M的關(guān)系）；

或改變半徑R，并調(diào)整調(diào)速旋鈕，控制角速度ω恒定，重新測(cè)量F（探究F與R的關(guān)系）；

（6）分析數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊描點(diǎn)按鈕，軟件調(diào)用EXCEL完成繪圖，并在相應(yīng)的界面顯示出來(lái)；點(diǎn)擊擬合按鈕，后臺(tái)將對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，并將兩物理量間的關(guān)系通過(guò)公式顯示出來(lái)；

（7）得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖5—圖7）：

2.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力與物體的質(zhì)量成正比，與半徑成正比，與角速度的二次方成正比。

3 該項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)（創(chuàng)新部分）

在現(xiàn)行高中物理教材中， F=Mω2r的確立非常抽象，是教材的重難點(diǎn)。為解決高中物理在“探究影響向心力大小因素”的實(shí)驗(yàn)儀器存在的不足。

本儀器利用Visual Basic語(yǔ)言，利用無(wú)線鼠標(biāo)自制光電計(jì)時(shí)器及STC89C5單片機(jī)，對(duì)傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)：

第一、改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)儀器更直觀，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)精確；

第二、通過(guò)Visual Basic語(yǔ)言設(shè)計(jì)的軟件實(shí)驗(yàn)界面，更人性化，方便數(shù)據(jù)的記錄及數(shù)據(jù)的處理，為實(shí)驗(yàn)探究節(jié)約大量的時(shí)間；

第三、通過(guò)定量探究得到物理規(guī)律，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶更加深刻，也培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)思維能力和開(kāi)拓創(chuàng)新能力，提供了豐富多彩的教育環(huán)境。既彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足，也讓學(xué)生體會(huì)到生活、技術(shù)中的物理。不僅能夠讓學(xué)生感到新鮮有趣，倍感親切，也對(duì)老師的能力產(chǎn)生敬佩感；

第四、改進(jìn)后的儀器成本更低（選材都是生活中常見(jiàn)的），有利于推廣（特別是農(nóng)村中學(xué)）。

參考文獻(xiàn)：

[1]翁華先.J2130型向心力演示器的改進(jìn)[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1986（03）：32—33，45.

[2]劉銀奎.“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2012，41（04）：44—45.

[3]王桂香，韓恩山.Visual Basic語(yǔ)言編程物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)踐[J].科技風(fēng)，2008（02）：79—81.

（欄目編輯 王柏廬）