線狀頻閃光源制作及其應用

劉小洪

(廣州市真光中學 廣東 廣州 510380)

劉立科

(廣東省南粵集團 廣東 廣州 511145)

文 雯

(珠海橫琴動能科教文化有限公司 廣東 珠海 519031)

1 問題:無配套器材

新粵教版高中物理必修第一冊第34頁，有如圖1所示配圖，教材用這個裝置替代了用打點計時器研究物體的勻變速直線運動[1].

圖1 教材圖片

教材中“將小球從緊靠豎直支架A的位置由靜止釋放，小球沿著傾斜直槽向下運動，用頻閃照相機對著小球的運動進行拍照……，對位移的變化進行研究”.

幾乎所有的學校都沒有配套實驗器材，這給教學帶來不便，為此，我們制作了這套實驗器材供教師們參考.

2 方案:線狀頻閃光源

線狀頻閃光源，由方波脈沖發(fā)生器模塊、觸發(fā)與控制電路模塊、LED燈帶、“︼ ”形鋁合金軌道、電磁鐵、12 V直流電源、開關及支架、底座等部件組成.為配合線狀頻閃光源完成運動規(guī)律探究，還需要數(shù)碼照相機、相機三角架以及黑色遮光布等.

將方波脈沖發(fā)生器模塊和觸發(fā)與控制電路模塊組裝在一個盒子里，這個模塊稱為“控制器”；將LED燈帶嵌在“︼ ”形鋁合金軌道底部并粘牢，這個模塊叫“直槽軌道”；支架1的高度可調(diào)，用于改變直槽軌道傾斜角度，也就改變了小球運動的加速度；支架2和支架3用于撐起遮光布.整個儀器如圖2所示，其中所用的模塊或配件都能在網(wǎng)上買到.

線狀頻閃光源對在傾斜直槽軌道上運動的小球進行頻閃照射時，用數(shù)碼相機的“B”門對小球進行曝光，這樣就能得到很清晰的頻閃照片，再把所得的頻閃照片導出到電腦，就可以進行數(shù)據(jù)分析.

這套實驗器材的特點如下：新穎、簡單、可靠、易仿制、易操作.

圖2 線狀頻閃光源結構圖

3 原理

線狀頻閃光源方框圖如圖3所示，12 V直流電源是方波脈沖發(fā)生器、觸發(fā)與控制器、LED燈帶及電磁鐵的共用電源，S1是電源總開關，S2是電磁鐵控制開關， S2掌控著位于傾斜直槽頂端的小球靜止或釋放狀態(tài).

圖3 線狀頻閃光源方框圖

各單元要素分述如下：

3.1 方波脈沖發(fā)生器模塊

網(wǎng)上可購買到，如圖4所示.這個模塊用12 V直流電供電，它能產(chǎn)生頻率范圍是1 Hz～100 kHz的方波脈沖，所需頻率是通過調(diào)節(jié)模塊上的“頻率調(diào)節(jié)”旋鈕來獲得的，輸出的方波脈沖頻率數(shù)值可以從模塊上的“頻率顯示”上獲知.在本實驗中，小球運動速度不大，加速度也不大，故采用10 Hz頻率，這樣，小球影像間距、影像數(shù)據(jù)量比較合適；當頻率為20 Hz時，小球影像比較密集，間距較小，不利于測距；當頻率為5 Hz時，小球影像稀疏，能采集到的數(shù)據(jù)較少.實操中，頻率的大小只要跟斜槽軌道傾角、軌道長度匹配，能獲得足夠多的、合適的影像數(shù)據(jù)即可，而在對自由落體運動進行拍照時，需把頻率調(diào)至20～30 Hz.

圖4 方波脈沖發(fā)生器模塊

不僅如此，這個模塊所產(chǎn)生的方波脈沖占空比也能調(diào)節(jié).這一點對獲得理想的實驗數(shù)據(jù)也很重要，因為方波脈沖的占空比過大，頻閃時發(fā)光時間過長，而在這段時間內(nèi)小球正在運動，這樣會導致所拍小球的影像出現(xiàn)重影(或叫拖尾)現(xiàn)象，使影像不清晰.為此，我們通過“占空比調(diào)節(jié)”旋鈕來調(diào)小占空比.本實驗中，當調(diào)節(jié)到占空比顯示為“1”時，就能得到非常清晰的頻閃照片，如圖7所示.

因為光是從斜直槽軌道向上射向小球底部的，所以，只有位于斜直槽內(nèi)的、下半部小球才會被照亮，因此小球影像就會形成很特別的“月牙”形狀.

3.2 觸發(fā)與控制電路模塊

網(wǎng)上可購買到，如圖5所示.

圖5 觸發(fā)與控制電路模塊

方波脈沖發(fā)生器模塊產(chǎn)生的方波功率很小，不足以直接推動LDE燈帶發(fā)光，為此，我們將“方波輸出”的方波信號送到“觸發(fā)與控制電路”模塊的輸入端子(要注意正、負極對應)，對方波脈沖功率進行適當放大，如圖5所示.

兩只大功率MOS管及外圍元件組成放大電路，實現(xiàn)了對模塊OUT端口所接的LED燈帶的亮與不亮的控制，使LED燈帶按照我們所設定的頻率和發(fā)光時間進行頻閃.實驗研究發(fā)現(xiàn)，從“方波脈沖發(fā)生器”PWM輸出的脈沖信號，直接用兩條導線與“觸發(fā)與控制電路模塊”的輸入端相連，LED燈帶就能正常受控頻閃，無需任何調(diào)試，便于老師們仿制，這是本裝置的一個突出優(yōu)點.因為燈帶是線狀的，所以這個頻閃光源就叫線狀頻閃光源.

3.3 燈帶與斜直槽軌道

如圖6所示，這個模塊需自制.燈帶與直槽軌道等長，長度約80 cm左右.燈帶有很多種，我們選購的是長條狀鋁基板12 V LED燈帶，它寬約1.8 cm，正好可以嵌在寬約2cm的“︼ ”形鋁合金軌道的槽底，再用雙面膠或“502”膠水粘牢，小球在軌道上運動時不會與微微凸起的LED燈珠相碰觸.燈帶的“正”與“負”極分別接在圖5模塊OUT(+)與OUT(-)接線端口上.

圖6 燈帶和“︼ ”形直槽軌道

將這條安裝有燈帶的鋁合金軌道斜放在支架1上，就構成了“傾斜直槽”軌道，小球能在其上做勻加速直線運動.

由于LED燈帶上相鄰兩個小燈珠之間距離與小球直徑(1.8 cm)差不多，所以無論小球運動到哪個位置，光都是從底部向上均勻照射小球的，這樣，小球在任意位置的影像大小、亮度都相同，數(shù)據(jù)非常準確，系統(tǒng)誤差小，這比點狀頻閃光源更先進，這就是我們制作線狀頻閃光源的原因.因此，用頻閃照相法研究勻變速直線運動時，優(yōu)先用線狀頻閃光源.

3.4 電磁鐵

我們選用的是6 V電磁鐵(體積小，直徑與軌道寬度差不多)，把它放在有LED引線的斜槽軌道一端，正好卡在鋁合金軌道內(nèi)，用膠帶把它固定在斜槽軌道上.因供電電壓是12 V，所以要用100 Ω,功率>1 W的電阻與電磁鐵串聯(lián).12 V電磁鐵體積通常很大，不合用.

接通開關S2，小球被電磁鐵吸引住，靜止于斜直槽軌道頂端；斷開S2，小球被釋放，開始在斜槽做勻加速直線運動.

3.5 支架和黑色遮光布

頻閃照相要求在無環(huán)境光的條件下拍攝，顯然，無論在教室還是在實驗室，都很難具備這種拍攝條件.我們的實驗發(fā)現(xiàn)，只要用一塊較大黑布蓋在線狀頻閃光源和數(shù)碼相機上，支架2、支架3就能撐起黑布，營造出滿意的“無光”環(huán)境，拍到如圖7所示的理想照片.而圖8所示頻閃照片是在夏天，上午10∶45，室外陽光很強，把教室內(nèi)的燈光全部關掉，把窗簾合上，不用黑布蓋住實驗器材的條件下得到的，也基本能滿足實驗要求.

圖7 小球在斜直槽上運動的頻閃照片

圖8 背景較亮時的頻閃照片

3.6 數(shù)碼相機

有帶“B”門的數(shù)碼相機就行，對相機像素大小沒有特殊要求.如果數(shù)碼相機具有“線控快門”配件就更好，用它控制“B”門將會更加方便，若無此配件，直接用手控制“B”門.

4 應用舉例

新粵教版高中物理必修第一冊第34頁，研究勻加速運動的位移特點.

4.1 拍頻閃照片

(1)實驗前先要對相關知識做必要鋪墊：接通電源開關S1，調(diào)節(jié)頻閃光源的閃光頻率和占空比，讓學生觀察不同頻率、不同占空比時的閃光情況，認識頻閃光源，理解閃光頻率和閃光時間，然后把頻率調(diào)定為“10” Hz，占空比調(diào)定為“1”.

(2)接通開關S1和S2，頻閃開始，同時小球被電磁鐵吸住，斷開S2，小球從頂部由靜止狀態(tài)釋放，讓學生觀察小球在向下運動的過程中一次一次被頻閃光源照亮，感受小球在軌道上運動以及停止運動時的聲響差異.如果在暗室，只有頻閃光源閃光時小球才會被照亮，從而得到小球在不同時刻、不同位置時的影像，這就是“頻閃照相”原理.

(3)將數(shù)碼相機用三角架支起，置于線狀頻閃光源斜直槽軌道的正前方，大約80～100 cm遠處，使相機與軌道中部差不多等高，如圖9所示，相機快門設置為“B”門、調(diào)焦設置為“手動聚焦”.

圖9 頻閃燈與相機的位置關系

(4)對著軌道和小球進行調(diào)焦，使軌道和小球的成像最清晰，再用黑布蓋在線狀頻閃光源和相機上部.

(5)用一只手按下快門“B”門，另一只手同時按開關S2，使其斷開，小球釋放，聽見小球到達底部發(fā)出的聲響時(小球在斜槽軌道上滾動時的聲音與到達軌道底部落到球網(wǎng)時的聲音不同)，松開“B”門，完成頻閃照片的拍攝，重復幾次操作，多拍幾張頻閃照片.

(6)調(diào)節(jié)支架1的高度，改變斜槽軌道的傾角即改變小球運動的加速度，重復上述步驟.

(7)將數(shù)碼相機拍的照片導入多媒體系統(tǒng)中，打開所拍的照片，選出其中需要的照片.

4.2 數(shù)據(jù)處理

打開所選的頻閃照片，以某一張照片為例說明數(shù)據(jù)處理方法.

調(diào)整顯示比例，得到一幅大小合適的圖像，截取其中一部分，然后利用多媒體自帶繪圖工具對小球影像進行畫線、測量、對比等數(shù)據(jù)處理，敘述如下：

(1)在每個小球的影像右側(cè)(也可以左側(cè))，畫出豎直線段，如圖10所示.

圖10 畫豎線

(2)在相鄰兩條豎直線間標注表示位移的符號S1,S2,S3,…，如圖11所示.

(3)量出各段線段長度S1,S2,S3,…，并把它們復制到影像下空白處，并列起來，如圖11所示.

圖11 量線段長度

(4)對比相鄰兩線段長度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,…，會發(fā)現(xiàn)差值相等.

我們也可以下載一個“尺”軟件，用電子尺更直接地測量出S1,S2,S3,…的數(shù)值，再計算相鄰兩段長度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,….

(5)綜合分析得出結論：勻變速直線運動中，在任意兩個連續(xù)相等的時間內(nèi)的位移差是相等的.

5 應用拓展

這個裝置還可以研究自由落體規(guī)律，研究平拋運動規(guī)律，觀察水滴在空中“懸浮”，研究轉(zhuǎn)動中的風扇葉片出現(xiàn)“三葉”“六葉”現(xiàn)象等.

創(chuàng)新之處：針對物體在較大范圍內(nèi)運動研究的實際需要，將傳統(tǒng)頻閃光源的發(fā)光點，改成線狀發(fā)光帶，且閃光頻率和閃光時間這兩個參數(shù)均可通過設置的旋鈕進行調(diào)整，兩個參數(shù)都能通過數(shù)字形式顯示出來.填補了教材無配套演示實驗器材這一空白.此器材還一物多用，非常適合于研究物體直線運動規(guī)律的各種場合(如自由落體運動)，也便于沒有此實驗器材的教師成功仿制.