霍金勝

（天水市第二中學(xué)，甘肅 天水741020）

1 引 言

中學(xué)物理研究簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方法是頻閃相機(jī)照相法和沙擺顯示運(yùn)動(dòng)軌跡法.頻閃相機(jī)照相法比較精確，但實(shí)驗(yàn)儀器裝置成本高，實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜費(fèi)時(shí)，不適合課堂實(shí)驗(yàn).沙擺顯示運(yùn)動(dòng)軌跡法所用儀器簡(jiǎn)單、成本很低、直觀性強(qiáng)，學(xué)生容易理解，但實(shí)驗(yàn)不精確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在木板上由沙子形成的痕跡，不方便學(xué)生觀察與分析.

2 光電鼠標(biāo)原理

在光電鼠標(biāo)內(nèi)部有發(fā)光二極管，通過(guò)該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部表面，然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過(guò)1組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)焦飧袘?yīng)器件內(nèi)成像.當(dāng)光電鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，其移動(dòng)軌跡便會(huì)被記錄為1組高速拍攝的連貫圖像.最后利用光電鼠標(biāo)內(nèi)部的專用圖像分析芯片對(duì)移動(dòng)軌跡上攝取的一系列圖像進(jìn)行分析處理，通過(guò)對(duì)這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來(lái)判斷鼠標(biāo)的移動(dòng)方向和移動(dòng)距離，從而完成光標(biāo)的定位.

光電鼠標(biāo)定位精度是用dpi表示，即每移動(dòng)1英寸所能檢測(cè)出的點(diǎn)數(shù)，一般光電鼠標(biāo)定位精度能達(dá)到400～800dpi.換算成以cm為單位為160～320點(diǎn)／cm.這樣的精度完全能滿足中學(xué)物理對(duì)振動(dòng)圖像的顯示要求.

光電鼠標(biāo)定位精度比較高，定位時(shí)鼠標(biāo)不與物體發(fā)生直接接觸，摩擦阻力小，可以把物體運(yùn)動(dòng)的圖像轉(zhuǎn)化為電腦屏幕上鼠標(biāo)光標(biāo)的運(yùn)動(dòng).因此用光電鼠標(biāo)做傳感器顯示物體的運(yùn)動(dòng)圖像是合理可行的.

3 硬件的制作

1）鼠標(biāo)的選擇與安裝

市場(chǎng)出售的鼠標(biāo)，性能差距較大，選購(gòu)時(shí)，要使鼠標(biāo)離開(kāi)鼠標(biāo)墊，觀察鼠標(biāo)墊與鼠標(biāo)距離多遠(yuǎn)時(shí)仍能使用.這個(gè)距離越大效果越好，能達(dá)到5mm即可滿足要求.把鼠標(biāo)底面凸出部分磨平，這樣效果會(huì)更好.

將鼠標(biāo)用物理實(shí)驗(yàn)室桌面固定夾固定，并固定在支架上，使鼠標(biāo)底面豎直向外.

2）單擺制作

單擺的擺線如果用細(xì)線，擺動(dòng)時(shí)方向容易變化，使用薄金屬片做擺線，擺動(dòng)時(shí)方向不容易變化.找一段長(zhǎng)度80cm，寬約1cm的金屬薄板做單擺的擺線.將金屬片上端折一弧形彎鉤做掛鉤，下端固定重物做擺球.

3）反光板制作

將長(zhǎng)約8cm、寬約2cm的金屬片折成“T字”形狀，從光電鼠標(biāo)墊剪取相應(yīng)大小1片粘在金屬片上制成反光板，反光板用夾子固定在擺線上.

4）支架

用長(zhǎng)約1m物理支架，最上端固定薄金屬片掛單擺擺線.在離擺線上方約1／3處將反光板用夾子固定在擺線上.在反光板相應(yīng)位置將鼠標(biāo)用固定夾子固定在支架上，調(diào)節(jié)反光板與支架的距離大約2mm.

簡(jiǎn)諧振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 簡(jiǎn)諧振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

4 軟件編程

使用Flash MX 2004動(dòng)畫編程，具體的過(guò)程如下：

打開(kāi)軟件，新建Flash文檔，文檔背影色設(shè)置為淡藍(lán)色.幀頻設(shè)置為50Hz..

在圖層1上畫小球，并轉(zhuǎn)換元件為影片剪輯，命名為小球，影片實(shí)例名為xq，再新建1個(gè)圖層，添加3個(gè)關(guān)鍵幀：

5 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

安裝好鼠標(biāo)，掛上單擺，調(diào)節(jié)鼠標(biāo)底面與反光板之間距離，要使單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，相距很近但不能接觸，距離調(diào)節(jié)到2mm為宜.

將無(wú)線光電鼠標(biāo)接收頭插到電腦USB接口上，打開(kāi)鼠標(biāo)上電源開(kāi)關(guān).打開(kāi)程序，并最大化，用電腦上配置鼠標(biāo)移動(dòng)鼠標(biāo)光標(biāo)，使其在屏幕中間位置.

讓單擺輕輕擺動(dòng)，擺動(dòng)振幅4cm左右為宜.調(diào)節(jié)使反光片與鼠標(biāo)底面相近而又不接觸.

單擺振動(dòng)后，按回車鍵，電腦屏幕上鼠標(biāo)光標(biāo)隨單擺的振動(dòng)而移動(dòng)，同時(shí)在屏幕上復(fù)制小球，這些小球組合起來(lái)形成了單擺振動(dòng)的圖像.

實(shí)驗(yàn)中如果鼠標(biāo)光標(biāo)移動(dòng)距離過(guò)大，可通過(guò)控制面板調(diào)節(jié).打開(kāi)電腦控制面板，打開(kāi)鼠標(biāo)，再打開(kāi)指針選項(xiàng)，有指針移動(dòng)速度選項(xiàng)，可以從慢到快調(diào)節(jié).反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可調(diào)節(jié)鼠標(biāo)指針在電腦屏幕上的移動(dòng)幅度達(dá)到電腦屏幕界面一半左右為宜.

6 實(shí)驗(yàn)效果分析

本實(shí)驗(yàn)顯示的圖像不是連續(xù)的曲線，而是由許多的點(diǎn)組成的圖像.相鄰2個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是0.02s，根據(jù)相鄰2個(gè)點(diǎn)之間距離大小，就可以知道每個(gè)位置的擺球運(yùn)動(dòng)的速度大小，還可以通過(guò)不同位置速度大小變化對(duì)比，判斷出小球是加速運(yùn)動(dòng)還是減速運(yùn)動(dòng).

通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，光電鼠標(biāo)顯示振動(dòng)圖像方法，有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）實(shí)驗(yàn)器材簡(jiǎn)單，該實(shí)驗(yàn)只要1個(gè)無(wú)線光電鼠標(biāo)，其他的器材用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材即能完成實(shí)驗(yàn).

2）實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單方便，一般人員只要觀察1次即能順利的操作實(shí)驗(yàn).

3）便于學(xué)生分析觀察.該實(shí)驗(yàn)圖像在電腦屏幕上顯示，有白板的教室可在白板上顯示，十分方便教師的教與學(xué)生的學(xué).

4）便于學(xué)生分析.該實(shí)驗(yàn)顯示的圖像不是1條曲線，而是由許多點(diǎn)組成的圖像，學(xué)生可以通過(guò)這些點(diǎn)，觀察振子各個(gè)位置的速度大小，還能判斷出各個(gè)位置加速度的方向，學(xué)生學(xué)習(xí)效果好.

［1］儲(chǔ)琪，田玉龍，蔣達(dá)婭.利用光電鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)玻爾共振儀混沌現(xiàn)象的數(shù)據(jù)采集［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2006，26（10）：46-48.