自制單擺周期測(cè)量?jī)x

譙坤凡　韓沁君

摘 要：利用51單片機(jī)為核心部件，用C語言編程設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)且便于操作的單擺周期測(cè)量?jī)x。利用該儀器，教師可以在課堂教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生探究影響單擺周期的因素。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螖[周期；單片機(jī)；光電門；電磁鐵

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2019）1-0046-3

1 設(shè)計(jì)背景

傳統(tǒng)的單擺周期測(cè)量實(shí)驗(yàn)多采用人工計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)的方式或利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展開。對(duì)于前者，由于每個(gè)人的反應(yīng)時(shí)間不同，測(cè)得的時(shí)間與真實(shí)時(shí)間存在較大誤差，且實(shí)驗(yàn)還需要較多時(shí)間去處理數(shù)據(jù)，教學(xué)效率較低。對(duì)于后者，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)的一套完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，覆蓋了初中、高中的大部分實(shí)驗(yàn)。但是，它必須依靠計(jì)算機(jī)來觀察數(shù)據(jù)，設(shè)備成本較高，學(xué)生的課堂參與度較低，普及程度不高。

為此，筆者設(shè)計(jì)了更適用于課堂教學(xué)的單擺周期測(cè)量?jī)x。該儀器針對(duì)高中物理選修3-4中單擺部分而設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)為核心部件，用C語言編程，實(shí)現(xiàn)單擺擺動(dòng)過程的自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)。該儀器成本較低，易制作，教學(xué)時(shí)不依賴計(jì)算機(jī)，便于學(xué)生的自主探究。

2 儀器制作及原理

2.1 硬件

系統(tǒng)以光電門傳感器（紅外屏障模塊）、51單片機(jī)（STC12C5A60S2-35I-PDIP40 1T）為核心部件，可以用手機(jī)充電器做系統(tǒng)的電源（提供穩(wěn)定電壓）。數(shù)據(jù)是在液晶顯示屏上顯示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在液晶屏上顯示三組數(shù)據(jù)：計(jì)數(shù)（記錄擺球通過光電門的次數(shù)）；預(yù)設(shè)次數(shù)（設(shè)置擺球經(jīng)過光電門記錄次數(shù)的最大值，即次數(shù)達(dá)到時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止計(jì)時(shí)）；總時(shí)間。計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)電路圖如圖1，儀器全景圖如圖2。

當(dāng)擺球第一次經(jīng)過光電門時(shí)，光電門產(chǎn)生電信號(hào)，系統(tǒng)開始計(jì)數(shù)（記錄擺球經(jīng)過光電門的次數(shù)）和計(jì)時(shí)；當(dāng)擺球第N次經(jīng)過光電門時(shí)，系統(tǒng)中斷計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)，并在液晶屏幕上顯示次數(shù)“N=**”以及時(shí)間“Time=***”（時(shí)間的單位為0.1 s，即測(cè)量時(shí)間的精度為0.1 s）。

通過電磁鐵控制小球的釋放?？梢蕴崆罢{(diào)整好擺球擺動(dòng)面，使擺球、電磁鐵、光電門中心在一個(gè)平面內(nèi)，這樣可以避免擺球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)。

擺線長(zhǎng)度可以通過支架桿上的刻度直接讀出來，擺線的角度可以通過量角器直接讀出。

當(dāng)探究測(cè)量次數(shù)對(duì)周期的影響時(shí)，可通過加減按鈕來設(shè)置測(cè)量的次數(shù)N（加減一次N改變2），即次數(shù)N與周期數(shù)n之間的關(guān)系滿足n=。

系統(tǒng)配有復(fù)位（清零）鍵，按動(dòng)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動(dòng)清零，可進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

光電門是紅外屏障模塊，可以避免環(huán)境中可見光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

2.2 程序

程序分為主程序、按鍵程序、顯示程序、計(jì)時(shí)器中斷程序和計(jì)算程序。

通過程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的控制，即擺球第一次經(jīng)過光電門時(shí)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，計(jì)時(shí)系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)，并在液晶顯示屏上顯示測(cè)量的次數(shù)N以及時(shí)間TIME。

通過按鍵程序，可以預(yù)設(shè)測(cè)量次數(shù)N，探究次數(shù)N對(duì)周期的影響。

3 實(shí)驗(yàn)演示

3.1 探究單擺的周期和擺長(zhǎng)的關(guān)系

通過觀察，不難發(fā)現(xiàn)，影響單擺周期的因素可能有：重物的質(zhì)量，偏角的大小，擺線的長(zhǎng)度，測(cè)量次數(shù)，空氣阻力。

由于空氣阻力的影響無法完全克服，在實(shí)驗(yàn)過程中我們采用體積較小的小鋼球作為重物，以降低空氣阻力對(duì)單擺周期的影響。

教師不妨利用控制變量的思想，設(shè)計(jì)4次實(shí)驗(yàn)，分別探究4個(gè)變量對(duì)單擺周期的影響。

小擺球的直徑為16 mm，大擺球的直徑為20 mm。小擺球的質(zhì)量為20 g，大擺球的質(zhì)量為40 g。

（1）探究質(zhì)量對(duì)單擺周期的影響

通過實(shí)驗(yàn)，可得到如表1所示的數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，擺球質(zhì)量對(duì)單擺周期無影響。

（4）探究測(cè)量次數(shù)對(duì)周期的影響

通過實(shí)驗(yàn)可以得到表5的數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，當(dāng)測(cè)量次數(shù)較小時(shí)，測(cè)量時(shí)間的誤差較小。

4 儀器優(yōu)勢(shì)

4.1 針對(duì)性強(qiáng)，簡(jiǎn)單易懂

該儀器是在傳統(tǒng)人工實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的改進(jìn)。主要針對(duì)單擺的周期測(cè)量及利用單擺測(cè)重力加速度展開設(shè)計(jì)。教學(xué)時(shí)，學(xué)生容易操作，也能通過科學(xué)探究得出結(jié)論。

4.2 豐富課堂，操作性強(qiáng)

教學(xué)時(shí)，教師可在課堂上演示實(shí)驗(yàn)，也可讓學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生通過觀察與探究，更好地掌握有關(guān)單擺的物理知識(shí)。同時(shí)，因?yàn)閮x器利用單片機(jī)計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)，節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

4.3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，形象有趣

光電門、單片機(jī)等材料的使用擴(kuò)展了學(xué)生的課外知識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在一定程度上，還讓學(xué)生更加了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了學(xué)以致用。

4.4 參與實(shí)驗(yàn)，科學(xué)探究

教學(xué)時(shí)，教師不妨引導(dǎo)學(xué)生自主猜想，提出影響單擺周期的因素，再利用儀器探究影響單擺周期的因素。

5 結(jié)束語

自制單擺周期測(cè)量?jī)x有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它仍有一些不足之處，如刻度尺的分度值為5 mm，在測(cè)量擺線長(zhǎng)度時(shí)可能存在誤差，且小球自身大小對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量也存在著影響，實(shí)驗(yàn)儀器的外觀也還可以進(jìn)一步美化。筆者會(huì)繼續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化單擺周期測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊欣，王玉鳳.51單片應(yīng)用從零開始[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[2]潘學(xué)軍.物理實(shí)驗(yàn)方法與演示教具制作[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

（欄目編輯 王柏廬）