打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是很多運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)要用到的器材，然而紙帶對(duì)研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)的影響難以有效消除，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差較大，降低實(shí)驗(yàn)信度，弱化了教學(xué)效果。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一直以來，教師在此方面做了一些有益的探索，例如天津師范大學(xué)教師李鵬杰利用手機(jī)慢動(dòng)作功能進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)的精確研究^[1]，方法巧妙，但涉及時(shí)間轉(zhuǎn)換的計(jì)算，容易分散學(xué)生的思維重心，且因慢放功能不能隨意調(diào)節(jié)而影響實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的自由度。中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)教師吳月江利用555芯片制作了可以自頻閃的電珠，將自閃燈系統(tǒng)固結(jié)到物體上，通過數(shù)碼相機(jī)快門調(diào)節(jié)攝錄物體運(yùn)動(dòng)^[2]，制作高明，但如果要精確調(diào)節(jié)頻率得用專門的頻率測(cè)量?jī)x器進(jìn)行校正。這對(duì)實(shí)驗(yàn)者搭建電路及調(diào)試電路的能力有較高的要求，該方法不易推廣。鑒于此，筆者利用被廣泛使用的Arduino UNO開發(fā)板和極其便宜的ATtiny 13A芯片，制作出可以方便地進(jìn)行編程控制、頻率精確、體積小巧的自頻閃物體，使中學(xué)物理運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)得以更有效地開展，也為中學(xué)生開展課外自主探究活動(dòng)提供了利器。

一、可編程自頻閃物體的制作

第一步：在Arduino IDE的File/Preferences里面輸入以下鏈接https：//mcudude.github.io/MicroCore/package_MCUdude_MicroCore_index.json，打開Tools/Board/Boards Manager...菜單，在搜索欄里填寫Attiny，為Arduino IDE安裝ATtiny 13A的支持庫。

第二步：打開Arduino IDE，選擇File/Examples/11.ArduinoISP/ArduinoISP，插上Arduino UNO板，燒錄，將Arduino UNO開發(fā)板制作成ATtiny 13A燒錄器。

第三步：將Arduino UNO板與ATtiny 13A進(jìn)行接線（如圖1和圖2）。引腳對(duì)應(yīng)排序如下：ATtiny13A leg 1→ Arduino 10;ATtiny13A leg 5 → Arduino 11;ATtiny13A leg 6→ Arduino 12;ATtiny13A leg 7→ Arduino 13;ATtiny13A leg 8→ Arduino 5v;ATtiny13A leg 4→ Ground （GND）。為燒錄引導(dǎo)程序做準(zhǔn)備。

第四步：設(shè)置好Arduino IDE（如圖3），點(diǎn)擊工具欄中的“燒錄引導(dǎo)程序”。

第五步：給ATtiny 13A燒錄頻閃燈程序（即讓4引腳輸出周期性高低電平），代碼如下：

void setup（） {

//D4是ATtiny的引腳3

pinMode（4， OUTPUT）;

}

void loop（） {

digitalWrite（4， HIGH）;

delay（1000）;

digitalWrite（4， LOW）;

delay（1000）;

}

此時(shí)，如果在ATtiny 13A的3、4引腳之間接入LED小電珠，小電珠可以被周期性地點(diǎn)亮。如果修改delay中的參數(shù)，可以精確改變小電珠頻閃的周期，占空比也是極容易調(diào)整的。至此，燒錄工作全部完成，如果單獨(dú)用電池為ATtiny 13A供電（如可用3節(jié)1.5伏的干電池實(shí)現(xiàn)），可制作極其小巧且可以隨時(shí)修改頻閃周期的自頻閃物體（如圖4）。

二、手機(jī)拍攝頻閃照片的方法

利用自頻閃物體，通過調(diào)節(jié)手機(jī)拍攝功能中的感光度和快門時(shí)間，可以拍攝出質(zhì)量較高的頻閃照片。當(dāng)然，手機(jī)拍攝頻閃照片存在系統(tǒng)誤差。筆者做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，探究如何輔助實(shí)驗(yàn)者收集更有信度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如圖5（a）所示，當(dāng)標(biāo)尺在自頻閃物體運(yùn)動(dòng)平面后面時(shí)，標(biāo)尺“縮小”——原來長(zhǎng)為的標(biāo)尺在相片中只有那么長(zhǎng)了。為了降低這一系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)一方面可以將手機(jī)攝像頭放置在離實(shí)驗(yàn)平面更遠(yuǎn)的位置（同時(shí)利用放大拍照功能配合拍攝），另一方面盡可能使標(biāo)尺和自頻閃物體運(yùn)動(dòng)所在面共面，如圖5（b）所示。

三、實(shí)驗(yàn)示例

在黑暗的環(huán)境中（不需要專門的黑幕背景），自頻閃物體通過自身周期性閃光，可以被手機(jī)輕易且清楚地捕捉位置，實(shí)驗(yàn)者操作十分方便。

（一）利用可編程自頻閃物體研究自由落體加速度

筆者制作了可編程自頻閃物體，拍攝出自由落體頻閃照片（如圖6）。頻閃周期0.01 s，其中LED燈每亮0.001 s后熄滅0.009 s，這可以很好地解決光點(diǎn)拖尾問題。筆者利用幾何畫板進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（如圖7），通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得本地自由落體加速度為9.85 m/s²，與標(biāo)準(zhǔn)值9.81 m/s²之間僅有0.41%的相對(duì)誤差。操作方便，效果極好。

如果為軌道上的小車裝上可編程自頻閃系統(tǒng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可被完全取代。排除紙帶對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的干擾因素后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好。自頻閃的周期完全可控。此方法是突破打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固化的打點(diǎn)周期、提高學(xué)生靈活變通能力的一個(gè)妙招，也是自頻閃物體優(yōu)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的又一亮點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)情景與結(jié)果如圖8所示）。

（二）利用可編程自頻閃物體研究豎直面圓周運(yùn)動(dòng)

如果用細(xì)線系住可編程自頻閃物體，將其裝入一個(gè)半透明的塑料球中（這是避免自身轉(zhuǎn)動(dòng)遮住燈光，或者做成雙線擺控制頻閃物體自轉(zhuǎn)），可以用它來精細(xì)研究更為一般的曲線運(yùn)動(dòng)。筆者就地取材，通過簡(jiǎn)單搭建實(shí)驗(yàn)情境，研究豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)。如圖9所示，筆者固定柜門，將細(xì)線一端固定其上，將另一端懸掛自頻閃小球從左端一定高度釋放，使得小球通過最低點(diǎn)后恰好畫過四分之一圓弧。筆者通過頻閃照片直觀地向?qū)W生呈現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)的速度變化情況（如圖10）。

如果將照片反色處理后打印下來，讓學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還會(huì)有意外收獲。以下是學(xué)生處理數(shù)據(jù)的結(jié)果（如圖11）。

首先，該學(xué)生發(fā)現(xiàn)了細(xì)線在最低點(diǎn)處最長(zhǎng)，在最高點(diǎn)處最短，切身感受到繩子的形變。這對(duì)他理解拉力以及向心力都有正面牽引作用。其次，他還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中忘記記錄柜門下沿到自頻閃球的實(shí)際距離，于是他用機(jī)械能守恒定律進(jìn)行了反向推測(cè)，得到合理的結(jié)果，鍛煉提升了思維能力。可見，將此法用于驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律是可行的。它突破教材中用自由落體法驗(yàn)證的做法，使學(xué)生更加深刻地體會(huì)動(dòng)能定理以及機(jī)械能守恒定律的優(yōu)越性。

（三）利用可編程自頻閃物體研究機(jī)械振動(dòng)

將兒童玩具彩虹彈簧圈末端黏附一定質(zhì)量的這種可編程自頻閃小球，可以直觀形象地演示機(jī)械振動(dòng)規(guī)律。圖12是實(shí)驗(yàn)者讓自頻閃物體盡可能保持勻速水平運(yùn)動(dòng)，用手機(jī)拍攝出其振動(dòng)規(guī)律的圖像。如果將彈簧振子安置在軌道小車上，使其勻速運(yùn)動(dòng)，并調(diào)整自頻閃的頻率，可以快速獲得振子的精確振動(dòng)圖像，省出更多時(shí)間用于互動(dòng)?？删幊套灶l閃物體應(yīng)用在機(jī)械振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的研究上，又一次顯著體現(xiàn)出其相對(duì)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的優(yōu)越性。

四、總結(jié)

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的思路有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與自制教具等。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)通常是基于知識(shí)的理解需要而對(duì)原實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，或者是基于同一實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩硗庠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);自制教具則是在“器”上做文章，通常是為了提高實(shí)驗(yàn)可見度、簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作步驟、激發(fā)學(xué)生興趣而設(shè)計(jì)的。應(yīng)當(dāng)說，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與自制教具是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常見思路，客觀上對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了重要的促進(jìn)作用，但其主體是教師，體現(xiàn)的是教師的智慧，學(xué)生只可能是其“受體”，而在學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生是主體，學(xué)生是用自己的智慧去創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。這就意味著學(xué)生自己分析實(shí)驗(yàn)原理，自己思考并選擇實(shí)驗(yàn)器材，自己設(shè)計(jì)操作步驟，教師在其中只起到指導(dǎo)、幫助作用^[3]?；谶@樣的認(rèn)識(shí)，我們對(duì)可編程自頻閃物體的應(yīng)用，要更有利于學(xué)生自行開展科學(xué)探究活動(dòng)——自頻閃物體的緊湊型結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生將其嫁接到其他研究對(duì)象上，開展自我主導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn);可編程的特性是學(xué)生面對(duì)具體情境自行改造器具的技術(shù)支撐。教師可以批量制作這樣的可編程自頻閃物體作為獎(jiǎng)品發(fā)給學(xué)生，為其開展科學(xué)探索提供物質(zhì)和精神支撐。這樣的教具改進(jìn)嘗試，無疑是有價(jià)值的。

參考文獻(xiàn)

[1] 李鵬杰.利用智能手機(jī)慢動(dòng)作視頻錄制研究自由落體運(yùn)動(dòng)[J].中學(xué)物理，2020（3）：54-56.

[2] 吳月江.用自頻閃方法研究自由落體運(yùn)動(dòng)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2009（9）：10-12.

[3] 湯金波，黃網(wǎng)官.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是未來物理教學(xué)的最優(yōu)途徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（6）：3-6.

（作者詹善生系安徽省池州一中教師;湯金波系南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校特級(jí)教師;梅曉璇系北京和平街一中教師）

責(zé)任編輯：祝元志