新型振動規(guī)律智能演示儀

◆山東省乳山市第一中學 馬心悅 黃騰達 劉翔昀

簡諧運動和阻尼運動是高中物理的重點，也是難點，現(xiàn)在高中物理新教材采用水平彈簧振子替代以前的砂擺演示簡諧運動的圖像， 但目前實驗室的簡諧運動演示儀有諸多不足，比如，描繪圖像的筆不穩(wěn)定、用筆描圖時摩擦力較大、畫出的圖像不規(guī)范、實驗效果差等。

其他用于該實驗的演示裝置也或多或少存在不足，比如裝置控制系統(tǒng)不夠智能、精準度低、實驗結(jié)果展示方式落后等。

所以，我們萌發(fā)了設(shè)計一種自動化程度更高、效果更好的簡諧運動與阻尼運動演示裝置的想法。

一、基本思路

該演示裝置采用數(shù)字控制技術(shù)，機電一體。在安裝氣墊導軌的基礎(chǔ)上，讓彈簧振子在氣墊導軌上運動，摩擦力極小，能最大限度地保證簡諧振動的等幅性。利用Arduino控制器，用程序控制電機運行，從而帶動執(zhí)行機構(gòu)自動完成氣墊導軌的開啟與關(guān)閉、彈簧振子的起振與停振、在磁力畫板上繪制或擦除振動圖像、演示結(jié)果實時投放等，還可自動初始化，方便重復演示。

二、研究過程

1.初步方案

本裝置由電源系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)三部分構(gòu)成。電源系統(tǒng)給主控系統(tǒng)、電機驅(qū)動板、氣泵、執(zhí)行機構(gòu)等提供不同的工作電壓與電流。主控系統(tǒng)采用Arduino 2560控制器，是裝置的“大腦”，指揮執(zhí)行機構(gòu)運行。按鍵控制裝置的啟動、歸零。執(zhí)行機構(gòu)中的三個電機在主控芯片的指揮下，分別帶動舵機、畫板、磁力擦條運動。

圖1 新型振動規(guī)律智能演示儀結(jié)構(gòu)示意圖

2.模型制作及測試

這個裝置看起來簡單，但對于我們來說做起來很難。

機械傳動部分用到的零部件數(shù)量多，各個零部件之間要相互協(xié)調(diào)、尺寸精確對應(yīng)才能正常運行。機械傳動部分的結(jié)構(gòu)形式會影響控制精準度，如果處理不當會造成運動過程中出現(xiàn)不必要的抖動、顫動等問題，繼而導致演示結(jié)果不精準。

如果需要演示多次，如何清除畫板上的畫線？采用手動還是電動的方式？手動方式最簡單，電動方式的難點在于機械結(jié)構(gòu)、軟件控制部分難以處理，因為我們采用的電機是步進電機，不是普通的直流電機，需由程序控制才能正常運轉(zhuǎn)。步進電機驅(qū)動程序方面的知識，我們還需要邊學習、邊實踐。

3.確定方案

根據(jù)多次模型測試的結(jié)果，我們從軟件和硬件兩方面進行了如下改進。

（1）采用小型氣墊導軌演示彈簧振子運動規(guī)律，可以極大減小摩擦力，最大程度地展現(xiàn)簡諧運動的特點。為了保證彈簧振子處于水平運動狀態(tài)，在機箱上表面安裝水平儀，通過調(diào)整機箱四腳的高度，使氣墊導軌處于水平狀態(tài)。

（2）裝置前端加裝一個LED指示燈，裝置通電后，系統(tǒng)初始化，指示燈閃爍之后長亮，提示裝置已完成準備工作，可隨時待命。

（3）彈簧振子上安裝的圓形磁片可作為畫筆，振子運動時可在磁力畫板上畫出圖像。

（4）程序控制繼電器的開合，從而自動控制氣泵啟動、關(guān)閉。

（5）利用Arduino控制器，通過編程控制電機X帶動氣墊導軌上方滑塊上的舵機運動，讓舵機臂適時轉(zhuǎn)動90度，撥動振子，然后舵機臂回轉(zhuǎn)、歸零，從而代替手推、放振子使之起振的動作，操作更加精準、穩(wěn)定。

（6）控制器控制電機Y適時轉(zhuǎn)動，通過皮帶帶動磁力畫板推出、停止、收回。彈簧振子運動過程中，畫筆被推出，可在磁力畫板上畫出振動圖像，即可直觀顯示振動物體的運動規(guī)律。

（7）畫板下方安裝強磁條做成的擦條，控制器控制電機Z適時轉(zhuǎn)動，擦除上一次實驗數(shù)據(jù)的圖像。

（8）實驗效果可用兩種方式展示。第一種是在機箱上安裝可伸縮手機支架，使用時展開支架，將手機調(diào)整到合適的視角，利用投屏軟件，實時將演示效果投放在大屏幕上。第二種是采用視頻展臺，將演示效果實時傳輸?shù)酱笃聊簧稀?/p>

歷經(jīng)千辛萬苦，我們終于制作出原型機，經(jīng)測試，其各項功能基本達到了我們的預(yù)期。

三、創(chuàng)新點

該智能演示儀結(jié)構(gòu)科學緊湊，精準度高，操作簡便，實用性強。按鍵控制程序自動運行，能模擬人手控制彈簧振子起振、停振，畫筆可實時畫出運動規(guī)律圖像，形象直觀，且圖像能自動擦除。實驗結(jié)果能實時投放到屏幕上，展示效果好。

圖2 演示效果

四、進一步的設(shè)想

1.完善控制程序，使儀器結(jié)構(gòu)更精簡，運行更穩(wěn)定，精準度更高。

2.縮小演示儀的體積，方便人們使用。

作者心聲

我們體驗了一次完整的項目設(shè)計制作過程，盡管制作的原型機還存在不足，但我們通過這段創(chuàng)新經(jīng)歷，學到了許多書本上學不到的知識，拓寬了視野，提升了自身的科學素養(yǎng)。

專家點評

新型振動規(guī)律智能演示儀是一項用于高中物理教學的改進型作品。該項目采用數(shù)字控制技術(shù)，機電一體，具備人手模擬功能，按鍵控制演示程序自動運行，操作簡便，有一定的新穎性和實用性。能在學習中找到創(chuàng)新課題，對于高中生來說，實屬不易。

同時，該項目技術(shù)的綜合運用較為復雜、制作難度大，體現(xiàn)了發(fā)明人勇于創(chuàng)新實踐、培養(yǎng)創(chuàng)新品格的決心與毅力。不足之處在于，模型體積過大且粗糙，建議進一步完善與優(yōu)化，以便真正適合高中物理“簡諧振動和阻尼振動”的輔助教學。