高遠靜，吳先球

（華南師范大學，廣東廣州 510006）

基于LabVIEW的牛頓第二定律實驗教學平臺設(shè)計

高遠靜，吳先球＊

（華南師范大學，廣東廣州 510006）

為了改善傳統(tǒng)牛頓第二定律的教學局限，將基于聲卡的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器測量技術(shù)引進牛頓第二定律實驗，研制加速度傳感器，在上位機利用Lab VIEW軟件編程進行數(shù)據(jù)處理和圖像顯示，構(gòu)成一套智能實驗系統(tǒng)。

Lab VIEW；牛頓第二定律；加速度傳感器；圖像顯示

牛頓第二定律實驗是物理力學實驗里最基本、最重要的實驗之一，傳統(tǒng)的在長木板上進行的實驗方案存在較多難以消除的誤差［1］，不能滿足定量實驗的教學需求，同時裝置調(diào)節(jié)的操作繁瑣，不利于聚焦完整的探究教學任務(wù)，逐漸被融入數(shù)字化信息技術(shù)的新型實驗所取代。

本文提出把基于聲卡的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器測量技術(shù)引進牛頓第二定律實驗，提高實驗教學過程的效率和實驗結(jié)果的精確度，為廣大教師提供多一個融合新技術(shù)新方法的牛頓第二定律實驗方案，為學生們提供多一個利用先進測量技術(shù)自主設(shè)計實驗、探究自然規(guī)律的機會。

1 設(shè)計思路

牛頓第二定律實驗是探究物體加速度與合外力、質(zhì)量之間關(guān)系。本實驗在氣墊導(dǎo)軌裝置上安裝自制的加速度傳感器測量滑塊做勻加速直線運動時的加速度大小，然后用數(shù)據(jù)采集器采集和傳送數(shù)據(jù)給上位機，最后用Lab VIEW軟件處理數(shù)據(jù)和顯示測量結(jié)果，并作出a-F關(guān)系，a-M關(guān)系和a-1／M關(guān)系圖像，根據(jù)圖像歸納物體加速度與合外力、質(zhì)量之間關(guān)系，從而得出牛頓第二定律的結(jié)論。

考慮現(xiàn)行的普遍實驗方案中用平均速度代替瞬時速度存在系統(tǒng)誤差，所以本實驗使用經(jīng)過理論修正的公式計算加速度［2］：

d為遮光片的寬度，tAB為條形遮光片的前沿抵達兩個光電門的時間差，tA、tB為經(jīng)過光電門A、B的用時。

實驗系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示，其中測量信號通過搭建實驗平臺來產(chǎn)生，傳感器和數(shù)據(jù)采集器制作硬件電路完成，數(shù)據(jù)處理和圖像分析利用Lab VIEW軟件編程完成。

圖1 實驗系統(tǒng)框架圖

2 加速度測量模塊

該加速度測量模塊主要由光電門及其外圍電路的加速度傳感器、以CM108音頻芯片為核心的直流轉(zhuǎn)交流數(shù)據(jù)采集器［3］、虛擬儀器數(shù)據(jù)處理和測量顯示界面四部分組成，下位機主要完成信號采集工作，信號處理工作主要在上位機虛擬儀器上完成?？梢跃_測量出遮光片通過光電門的時刻，并且能夠在計算機上顯示采集到的脈沖信號，把脈沖信號與實際運動過程相結(jié)合，提取相應(yīng)的時刻信息進行軟件編程就計算出研究對象的加速度大小。

完整的程序流程圖如圖2所示：

圖2 加速度測量程序

加速度測量界面如圖3所示，主要由光電脈沖信號圖像和數(shù)值計算顯示兩大部分組成。用戶開始實驗操作并運行程序后，在得到的脈沖信號圖像上移動4個游標到相應(yīng)位置，點擊“計算”按鈕顯示各物理量的測量結(jié)果，根據(jù)測量原理和顯示數(shù)據(jù)計算加速度的大小，再與軟件計算結(jié)果進行對比。

圖3 加速度測量界面

3 圖像構(gòu)建模塊

基于虛擬儀器的牛頓第二定律實驗教學平臺設(shè)計了實驗數(shù)據(jù)處理中很重要的一個智能模塊——圖像構(gòu)建模塊，如圖4所示，它包括了加速度與合外力關(guān)系的圖像和加速度與質(zhì)量關(guān)系的圖像，每一部分都是收集前面進行測量的實驗數(shù)據(jù)，整合成一個實驗數(shù)據(jù)記錄表格，再在界面的坐標圖上描點，作出擬合曲線，最后根據(jù)多次實驗得到的擬合曲線分析規(guī)律，歸納結(jié)論。

圖4 圖像構(gòu)建程序

4 系統(tǒng)實驗測試分析

首先進行物體加速度與合外力的關(guān)系測試實驗，控制滑塊總質(zhì)量為377.01 g，此處忽略不計滑塊與氣墊導(dǎo)軌上的空氣內(nèi)摩擦，以滑塊所受的拉力作為合外力，用加速度測量模塊采集數(shù)據(jù)。采用本平臺虛擬儀器開發(fā)的“加速度與合外力關(guān)系圖像”進行計算機描點作圖和線性擬合，如圖5（a）所示，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.996 9，呈顯著正相關(guān)，接近原點的偏差為0.5%，測量的百分誤差為0.6%，擬合直線的延長線與縱坐標原點相交，可以得到牛頓第二定律結(jié)論。

第二大組的實驗進行加速度與質(zhì)量的關(guān)系測試實驗，采用本平臺虛擬儀器開發(fā)的“加速度與質(zhì)量關(guān)系圖像”進行計算機描點作圖和線性擬合，如圖5（b）所示為加速度與質(zhì)量的擬合曲線，a-M圖顯示擬合曲線的冪函數(shù)的冪值為-1.02，在2%的誤差范圍內(nèi)，可以總結(jié)兩個物理量成反比例關(guān)系。圖5（c）所示為加速度與質(zhì)量的倒數(shù)的擬合直線，線性擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.990 4，呈顯著正相關(guān)，接近原點的偏差為2%，擬合直線的延長線（虛線）與縱坐標原點相交，可以得到牛頓第二定律結(jié)論。

圖5 測試結(jié)果

5 教學應(yīng)用價值分析

基于Lab VIEW軟件編寫的實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)從物理量測量到數(shù)據(jù)分析的一體化智能實驗系統(tǒng)，既保留了關(guān)鍵的動手操作步驟，也將課堂效率大大提高，教師從而可以引導(dǎo)學生把注意力集中在學習科學探究的整體思路和方法上［6］。

借助圖形化語言通俗形象的編程特點還可以進行二次開發(fā)，拓展全套系統(tǒng)各項功能，可以應(yīng)用于開展與時間、速度和加速度有關(guān)的運動學實驗：研究彈性和非彈性碰撞中的動量和能量變化、研究單擺運動、測量重力加速度、測量自行車輪的線速度和周期、研究受迫簡諧振動的振子頻率……從而培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代科技手段解決實際問題的能力和實踐創(chuàng)新能力［7］。

6 結(jié) 論

從實際教學需求出發(fā)，基于虛擬儀器的牛頓第二定律實驗教學平臺采用經(jīng)過理論修正的加速度算法，利用電子元件計時迅速的特點制作加速度傳感器，實驗測試誤差在1%以下，使該實驗更精確，符合定量實驗需求。同時編寫了與實驗裝置相匹配的實驗系統(tǒng)軟件，打造一體化智能實驗平臺，提高課堂效率和質(zhì)量，為教師教學演示和學生實驗探究服務(wù)。

［1］ 吳月江，汪維澄.關(guān)于牛頓第二定律實驗的討論［J］.教學儀器與實驗，2008（9）：23-27.

［2］ 楊述武，趙立竹，沈國土.普通物理實驗1，力學、熱學部分（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2007，12：64-70.

［3］ 何日光，吳先球.基于LABVIEW和USB聲卡的直流信號采集設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2012（2）：41-43.

［4］ M.Suzanne Donovan，John D.Bransford.How Students Learn：Science in the Classroom［M］.Washington，D.C：The National Academies Press，2005：475-512.

［5］ 呂紅英，吳先球，李凌燕等.利用虛擬儀器技術(shù)，改革物理實驗教學［J］.中山大學學報論叢，2006（26、5）：66-70.

The Design of Teaching Platform of Newton’s Second Law Experiment Based on LabVIEW Instrument

GAO Yuan-jing，WU Xian-qiu
（South China Normal University，Guangdong Guangzhou 510006）

The data logger technology based on sound card and virtual instrument technology were introduced to the Newton’s second law experiment for the improvement of instruction.The acceleration sensor was developed，with Lab VIEW software in PC to program for the data processing and image display.The device forms an intelligent experiment system.

Lab VIEW；Newton’s second law；acceleration sensor；image display

G 633.7

A

1007-2934（2013）06-0077-03

2013-07-25

＊通訊聯(lián)系人