列曉東，梁淑媚，吳先球

（華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州510006）

1 引 言

運動的合成與分解，是學生處理曲線運動的基本方法，也是學生學完牛頓定律后遇到的第二個力學難點.目前關于運動合成與分解的演示儀中，有些儀器是利用蠟塊或者浮球在玻璃管水中做豎直運動，然后整個裝置做水平運動來演示2個運動的合成［1］；而有些則搭建傳動機構(gòu)，用手作為動力源，使物體分別做2個方向的運動［2-3］.這些裝置都基本能達到演示效果，但作為課堂演示實驗，還存在以下幾個不足：1）操作者對“勻速”的手動控制并不穩(wěn)定；2）不能實時描繪出合運動軌跡；3）2個運動的速度的選擇性較單一.筆者基于STM32單片機研制了多功能運動合成分解演示儀.本裝置結(jié)合直流電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的特點，利用單片機實現(xiàn)對直流電機的轉(zhuǎn)速進行控制，同時運動方向可任意調(diào)整，實現(xiàn)了多種演示方案.

2 儀器的設計

儀器的系統(tǒng)框圖如圖1所示.STM32單片機根據(jù)鍵盤輸入，產(chǎn)生2路PWN控制信號，經(jīng)過L298N直流電機驅(qū)動電路，產(chǎn)生不同的電壓值，從而實現(xiàn)控制直流電機的轉(zhuǎn)速的效果.本裝置選擇的是額定電壓為12V，轉(zhuǎn)速為82r／min，負載時的扭矩為0.28N·m的直流電機.其特點是轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，扭矩大，滿足實驗要求.

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

儀器的裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.在木制底座上安裝1對抽屜滑軌，然后用自行車撐傘架上卸下來的“搖擺型”裝置將2根滑軌安裝在一起，構(gòu)成“L”字型支架.滑軌上貼傳動皮帶，兩滑軌的起始端上分別安裝了帶有同步齒輪的直流電機.滑軌A末端安裝可以固定白板筆的裝置，它是由1塊直角鐵和煤氣管套圈焊接而成.白板筆蓋上粘1個乒乓球，代表運動的物體.在白板筆下裝有1塊有機玻璃板，玻璃板下方貼方格紙.這樣，直流電機1控制白板筆做上下運動，直流電機2控制滑軌A做左右運動，白板筆可畫出合運動軌跡.

3 使用方法

儀器的控制面板如圖3所示.第1行和第2行分別負責設定2個電機的轉(zhuǎn)速情況.其中v是指轉(zhuǎn)速的大小，a是指加速的程度，各有慢和快兩級.2個電機雖然只有4種轉(zhuǎn)動狀態(tài)，但組合起來有16種合成情況，足以滿足課堂演示的需要.另外，面板當中的“M”是指“運動”，“S”是指“停止”，“B”是指“復位”.

圖3 控制面板圖

演示前，首先分別設定X，Y軸上的運動狀態(tài)，然后按“X＿M”鍵或“Y＿M”鍵單獨啟動其中1個電機，電機會根據(jù)設定的狀態(tài)轉(zhuǎn)動.通過觀察乒乓球的運動情況，讓學生對本裝置2個軌道能獨立運動有直觀認識.然后按“X＿B”鍵和“Y＿B”鍵使乒乓球復位到起點O；最后按“M”鍵同時啟動兩軸上的直流電機轉(zhuǎn)動，白板筆實時地畫出了合運動的軌跡.在白板筆畫合運動軌跡過程中，可讓學生注意感受2軸上分運動狀態(tài).

4 演示效果

通過改變X，Y軸上的電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)，可以畫出不同的合運動軌跡.圖4（a）中顯示了3種物體在2個不同勻速運動狀態(tài)下的合成情況；圖4（b）中顯示了3種1個方向做勻速運動和1個做加速運動時的合成情況.同時，通過調(diào)角旋鈕，還可以演示不同夾角時的合成情況.限于篇幅，這里不再展開描述.

圖4 裝置演示效果

5 實驗拓展

本裝置取材容易，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于課堂做演示實驗.《新課程標準》指出義務教育階段的物理課程的基本理念要求是：從生活走向物理，從物理走向社會［5］.根據(jù)需要，將乒乓球改成小紙船，即可演示“小船渡河”等情景問題，圖5所示的是當船速比水速大時，船速與水速的夾角分別為銳角、直角和鈍角時的船行軌跡.本儀器可幫助學生更加直觀地認識運動的合成與分解.

圖5 船頭不同朝向時的合運動軌跡

由于直流電機帶負載時轉(zhuǎn)速與加在它兩端的電壓并不是嚴格的線性關系，因此目前實現(xiàn)的只是加速運動.如果要精確地做到勻加速直線運動，則要使用步進電機.然而，一般的步進電機扭矩較小，而扭矩大的本身質(zhì)量也大，造成推動裝置移動時阻力較大.因此在以后的研發(fā)中，可選擇一些輕質(zhì)的滑軌，或者扭矩大但是本身質(zhì)量小的步進電機.

［1］韋金仕.運動合成與分解演示實驗設計［J］.基礎教育研究，2011（6A）：49-51.

［2］陳錦鐸.關于運動合成與分解實驗的方案［J］.中學物理，2010，28（15）：32-33.

［3］王會霞.運動的合成與分解演示儀制作初探［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2007（1）：82，85.

［4］王世誼.運動合成演示儀［J］.物理實驗，1982，2（1）：29-30.

［5］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）［M］.北京：人民教育出版社，2003.