J2130傳統(tǒng)向心力演示儀的創(chuàng)新改進(jìn)

陳劍峰

研究目的

現(xiàn)行高中物理教材中，圓周運(yùn)動(dòng)中的向心力內(nèi)容是教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)?！疤骄坑绊懴蛐牧Υ笮∫蛩亍钡膶?shí)驗(yàn)是高中物理新課標(biāo)明確要求掌握的內(nèi)容，也是該章節(jié)必做的實(shí)驗(yàn)。向心力公式F=Mω2r的推演非常抽象，很難理解。傳統(tǒng)演示“探究影響向心力大小因素”的實(shí)驗(yàn)儀器存在很多不足。本人利用Visual Basic語(yǔ)言和STC89C52單片機(jī)及自制無線光電計(jì)時(shí)器，對(duì)傳統(tǒng)向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn)。讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀，操作更簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)更精確，也讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶更加深刻。

設(shè)計(jì)基本思路

初步設(shè)想：增加電動(dòng)機(jī)和連續(xù)調(diào)速電路，控制轉(zhuǎn)速恒定（控制角速度）。利用電子秤改裝成測(cè)力計(jì)，使數(shù)據(jù)更精確。使用有機(jī)玻璃做的三角支架支撐砝碼軸，減小阻力，且可快速通過成對(duì)增減配重，改變質(zhì)量（控制重心不變）。將無線鼠標(biāo)改裝成無線光電計(jì)時(shí)器，可以精確測(cè)量角速度，且能節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)時(shí)間。另外，還在原演示儀上加裝快速調(diào)整半徑的結(jié)構(gòu)，以便快速且精確測(cè)量改變后的半徑大小。最后利用控制變量法，通過改變減速電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）、圓周運(yùn)動(dòng)半徑、質(zhì)量等參數(shù)，定量探究影響向心力大小的因素。第6代還增加了利用STC89C52單片機(jī)無線測(cè)量向心力的裝置。

設(shè)計(jì)制作過程

設(shè)備、應(yīng)用軟件與器材

計(jì)算機(jī)、穩(wěn)壓電源、Visual Basic軟件、無線鼠標(biāo)、光電感應(yīng)開關(guān)、迷你手提秤（第6代采用STC89C52單片機(jī)自制無線向心力測(cè)量裝置）、開關(guān)、減速電機(jī)、調(diào)速度電路、砝碼、自行車輻條、黑色圓珠筆外殼（作擋光片用）、有機(jī)玻璃（制作三角支架、旋轉(zhuǎn)軸、底座等）、螺絲若干、導(dǎo)線若干。

制作說明

用有機(jī)玻璃制作底座，將減速電機(jī)固定在底座上部，將電源開關(guān)及調(diào)速裝置固定在底座側(cè)面，見圖1。

利用紅外光電感應(yīng)開關(guān)，將其信號(hào)輸出端接入鼠標(biāo)芯片中控制中鍵的10引腳，利用Visual Basic語(yǔ)言編寫計(jì)時(shí)程序（顯示精度0.001秒），自制光電門，將光電門安裝在底座上底的外側(cè)位置。

在砝碼中心打1個(gè)直徑2mm的孔，讓自行車輻條剛好能從其中穿過，砝碼的側(cè)面鉆螺絲孔，將陸碼固定在福條上。在自行車福條上加工出螺紋，砝碼穿過后用螺母固定，方便快速調(diào)整半徑，在轉(zhuǎn)板上以中心點(diǎn)為0刻上刻度線，用于快速控制、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2塊三角形凹槽支架，用于架設(shè)軸桿，另一側(cè)面打3個(gè)孔，用最外側(cè)孔固定擋光桿；中間孔安裝1根長(zhǎng)螺絲固定配重片；用STC89C52單片機(jī)將壓力傳感器受力變化轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，再通過HX711AD模塊放大后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)輸入發(fā)射端主控制器，利用Risym NRF24L01 2.4G無線接收通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端主控制器，利用VB上位機(jī)通過串口與單片機(jī)通信。

軟件界面設(shè)計(jì)由1個(gè)主界面和3個(gè)實(shí)驗(yàn)界面組成?？梢詮闹鹘缑孢M(jìn)入任意實(shí)驗(yàn)界面，也可從任意實(shí)驗(yàn)界面返回主界面。

通過Visual Basic語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，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)數(shù)據(jù)快速處理（描點(diǎn)、擬合并顯示物理量的關(guān)系）。每個(gè)實(shí)驗(yàn)界面設(shè)計(jì)有拍照功能，實(shí)現(xiàn)快速保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論。

改進(jìn)后的演示儀整體系統(tǒng)見圖2，實(shí)物見圖3。

實(shí)驗(yàn)過程

組裝好儀器，打開計(jì)算機(jī)，打開向心力實(shí)驗(yàn)軟件主界面，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面。

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

讀出砝碼上指針對(duì)準(zhǔn)的刻度，記錄半徑r。

閉合開關(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。

調(diào)整調(diào)速旋鈕，改變角速度0，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亙定，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）。

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)的界面顯不出來；點(diǎn)擊擬合按鈕，后臺(tái)將對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，并將兩物理參數(shù)之間的關(guān)系通過公式顯示出來。

儀器特點(diǎn)

現(xiàn)象直觀，無線采集數(shù)據(jù)操作很方便，測(cè)量數(shù)據(jù)精確；利用VB編寫的實(shí)驗(yàn)軟件可以后臺(tái)調(diào)用Excel，借助其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力快速處理數(shù)據(jù)，節(jié)約大量探究時(shí)間；讓學(xué)生通過定量探究總結(jié)出物理規(guī)律，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足；改進(jìn)后的儀器成本更低，尤其有利于在農(nóng)村中學(xué)推廣。

該項(xiàng)目獲得第31屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目制作了J2130傳統(tǒng)向心力演示儀的創(chuàng)新改進(jìn)裝置，選題內(nèi)容新穎，概念清晰，對(duì)教學(xué)有重要的參考價(jià)值，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。endprint