辛亞輝 張建斌
一、提出設(shè)想
人教版八年級(jí)物理“認(rèn)識(shí)聲音的波形”是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn),教師通常使用示波器和教學(xué)電腦自帶的“錄音機(jī)”應(yīng)用程序演示聲音的波形,如圖1所示。
示波器的缺點(diǎn)是顯示窗口太小,實(shí)驗(yàn)教學(xué)可視性差——展示波形時(shí),只有靠近設(shè)備的學(xué)生才能看清楚,其他學(xué)生只能聽(tīng)教師講解。“錄音機(jī)”應(yīng)用程序操作簡(jiǎn)單,顯示聲音波形可視性強(qiáng),適合課堂演示。如果教師利用先進(jìn)的信息技術(shù)手段設(shè)計(jì)展示聲音波形的實(shí)驗(yàn),將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在學(xué)生的心里埋下創(chuàng)新的種子。
Arduino是一款便捷靈活的開(kāi)源電子設(shè)計(jì)平臺(tái),有多種針對(duì)Arduino硬件的編程軟件,其中Mind+軟件功能強(qiáng)大,非常適合設(shè)計(jì)初中物理實(shí)驗(yàn)。
二、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
(一)聲波形成的原理
物體振動(dòng)時(shí)帶動(dòng)它周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng),由于空氣具有可壓縮性,在質(zhì)點(diǎn)的相互作用下,振動(dòng)物體四周的空氣交替地壓縮與膨脹,并且逐漸向外傳播,從而形成聲波。
聲波傳播的方式不是物質(zhì)的移動(dòng),而是能量的傳播。也就是說(shuō),聲波傳播時(shí),質(zhì)點(diǎn)不隨聲波向前擴(kuò)散,僅在其原來(lái)的平衡位置附近振動(dòng),通過(guò)質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用影響鄰近的質(zhì)點(diǎn),使之振動(dòng)。由此,振動(dòng)得以向四周傳播,形成波動(dòng)。
波有兩種類型,即縱波和橫波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向平行于傳播方向的波,稱為縱波,如圖2所示。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波,稱為橫波。聲波在空氣和液體中的傳播形式是縱波,在固體中的傳播形式既有縱波又有橫波。
(二)設(shè)計(jì)思路
用Arduino聲音傳感器檢測(cè)聲音,用Mind+軟件的實(shí)時(shí)模式繪制波形圖像。使用Mind+軟件時(shí),首先建立一個(gè)角色,并將角色隱藏,只用該角色的畫(huà)筆功能;隨后按下按鍵,軟件開(kāi)始繪制波形,再按一次按鍵,停止繪制波形。聲音在空氣中按照正弦規(guī)律傳播,即A(t)=A0sin(ωt+θ)。初中階段的學(xué)生剛接觸物理,實(shí)驗(yàn)難度不宜過(guò)大,本實(shí)驗(yàn)只展示最基本的波形,方程簡(jiǎn)化為A(t)=A0sin(t)。
(三)實(shí)驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料包括Arduino UNO主控板、IO擴(kuò)展板、模擬聲音傳感器、數(shù)字大按鈕模塊、USB2.0數(shù)據(jù)線和3pin數(shù)字傳感器連接線。
(四)安裝過(guò)程
如圖3所示,將IO擴(kuò)展板插入Arduino UNO主控板,數(shù)字大按鈕模塊與IO擴(kuò)展板數(shù)字I/O引腳D2連接,模擬聲音傳感器與IO擴(kuò)展板模擬I/O引腳A0連接。
(五)程序代碼
采用Mind+軟件的實(shí)時(shí)模式編程,程序代碼如下:
Arduino設(shè)備存在的一個(gè)不足是單線程,即在程序執(zhí)行時(shí),所走的程序路徑按照連續(xù)順序排下來(lái),前面的必須處理好,后面的才會(huì)執(zhí)行。Mind+軟件的實(shí)時(shí)模式很好地解決了單線程的問(wèn)題,它調(diào)用電腦的線程,可以同時(shí)滿足多種需求。
在程序圖中,綠旗點(diǎn)擊代碼的作用是檢測(cè)Arduino按鍵是否按下。當(dāng)變量i=0、按鍵按下時(shí),賦值為1;當(dāng)變量i=1、按鍵按下時(shí),賦值為0。主程序的作用是:當(dāng)變量i=1時(shí),隨機(jī)選擇畫(huà)筆的顏色,繪制聲音波形。聲音波形方程是A(x)=A0sin(x),A0為聲音傳感器測(cè)出的值除以3.3。如果不除以3.3,直接把聲音傳感器測(cè)出的值代入運(yùn)算,那么繪制的圖像會(huì)占滿整個(gè)Mind+舞臺(tái)。當(dāng)畫(huà)筆到達(dá)舞臺(tái)邊緣時(shí),需返回重新繪制。
(六)實(shí)驗(yàn)操作步驟
1.打開(kāi)教學(xué)電腦中的Mind+軟件,選擇“實(shí)時(shí)模式”。
2.點(diǎn)擊“項(xiàng)目”菜單,選擇“新建項(xiàng)目”,新建一個(gè)空白項(xiàng)目。
3.點(diǎn)擊擴(kuò)展模塊,選擇Arduino UNO主控板,返回編程界面。
4.在腳本區(qū)拖拽積木塊,編寫(xiě)程序。
5.用USB數(shù)據(jù)線連接Arduino UNO主控板和電腦,點(diǎn)擊“連接設(shè)備”菜單,選擇Arduino UNO主控板端口號(hào),直到連接成功為止。
6.點(diǎn)擊舞臺(tái)上方全屏,打開(kāi)全屏界面,點(diǎn)擊綠旗,按下電腦空格鍵及Arduino按鍵,舞臺(tái)開(kāi)始繪制聲波圖像,再次按下按鍵,停止繪制,如圖5所示。
三、實(shí)驗(yàn)效果與評(píng)價(jià)
(一)實(shí)驗(yàn)效果
Arduino聲音波形演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙,操作簡(jiǎn)單。本實(shí)驗(yàn)可以作為人教版物理教材“示波器顯示聲音波形實(shí)驗(yàn)”的有效補(bǔ)充,彌補(bǔ)使用示波器演示實(shí)驗(yàn)時(shí)可視性差的不足。
在本實(shí)驗(yàn)中,聲音傳感器采集聲音數(shù)據(jù)非常靈敏,Mind+軟件可伴隨著聲音的采集實(shí)時(shí)繪制圖像,且反應(yīng)迅速。如圖5所示,Mind+軟件繪制出的圖像與圖1、圖6相似,這說(shuō)明Mind+軟件完全可以替代電腦應(yīng)用程序演示聲音波形。
(二)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)
Arduino聲音波形演示實(shí)驗(yàn)將先進(jìn)的Arduino設(shè)備和Mind+編程融入初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),促進(jìn)了信息科學(xué)和物理學(xué)科的深度融合,體現(xiàn)了物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。
(欄目編輯? 藍(lán)泳茵)