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        可移動式智能單擺演示儀的開發(fā)與應用 ①

        2022-12-17 02:52:24肖亮松尤立娟吳蓁蓁林澤航
        物理之友 2022年10期
        關(guān)鍵詞:智能實驗

        肖亮松 尤立娟 吳蓁蓁 林澤航

        (廣東省汕頭華僑中學,廣東 汕頭 515000)

        1 背景

        “用單擺測量重力加速度的大小”是《普通高中物理課程標準(2017年版)》規(guī)定的學生必做實驗,目前在教學中使用的裝置存在以下問題:(1) 整個裝置非常笨重,不方便攜帶;(2) 在釋放擺球的時候很難實現(xiàn)初速度為零,容易變成圓錐擺,并因此增大了實驗誤差;(3) 由于實驗者靠肉眼判斷擺球經(jīng)過最低點,實驗誤差較大。筆者經(jīng)過反復研究,不斷改進,設計、制作了“可移動式智能單擺演示儀”,不僅解決了傳統(tǒng)實驗裝置存在的問題,還把實驗與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合,既發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)勢,又使實驗原理和方法的教學自然順暢。

        2 可移動式智能單擺演示儀的開發(fā)

        2.1 構(gòu)造和原理

        可移動式智能單擺演示儀由4部分組成:

        (1) 電磁鐵

        如圖1所示,電磁鐵由開關(guān)控制,通電時可吸住小球,斷電后可釋放小球,保證小球釋放時的初速度為0。

        圖1

        (2) 擺球裝置

        如圖2所示,在支架上固定繩子的一端,繩子的另一端連接小球。

        圖2

        (3) 光電門

        如圖3、圖4所示,光電門由無線鼠標改造而成,主要部件是無線鼠標、激光發(fā)射器和探測器等。小球擺動經(jīng)過光電門時遮住激光束,此時光電門電路中有電流流過,給無線鼠標一個信號,無線鼠標將采集到的信號通過插在手機上的無線接收器傳輸?shù)绞謾C中,手機APP程序開始計數(shù)和計時。

        圖3

        圖4

        2.1.4 手機數(shù)據(jù)接收端

        手機數(shù)據(jù)接收端由手機和無線鼠標接收器通過typeC轉(zhuǎn)接頭連在一起而構(gòu)成,在手機內(nèi)預先裝好了用flash AIR編寫好的手機APP程序。輸入相關(guān)信息,該程序可以自動進行計時和計算,并把單擺周期以及重力加速度的計算結(jié)果呈現(xiàn)出來(圖5)。

        圖5

        使用可移動式智能單擺演示儀進行實驗時,為增強可視化也可將手機APP程序投屏到電腦屏上(圖6)。

        圖6

        2.2 優(yōu)點

        (1) 利用自制的光電門,比傳統(tǒng)光電門的測量更加方便和準確。

        (2) 利用無線鼠標進行數(shù)據(jù)采集,可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或手機上呈現(xiàn),且成本低廉、制作方便。

        (3) 將自編的手機APP程序用于計時和計算,使單擺周期的計時更加方便和準確,使重力加速度的計算更加便捷,并可通過手機呈現(xiàn)數(shù)據(jù),也可利用手機投屏功能,投屏到電腦屏上呈現(xiàn)數(shù)據(jù),增強可視性。

        (4) 用電磁鐵釋放擺球,更容易控制。

        (5) 整套裝置用不銹鋼角鐵做支架,通過強磁鐵可吸附在黑板上,攜帶、安裝都很方便。

        3 可移動式智能單擺演示儀在教學中的應用

        3.1 單擺周期的測量和計算

        利用可移動式智能單擺演示儀,可快速采集實驗數(shù)據(jù)并計算出單擺周期,其操作如下:

        (1) 在手機APP程序中輸入單擺的擺長和需要測量的單擺周期的個數(shù);

        (2) 斷開電磁鐵使小球從靜止開始擺動,小球擺動到平衡位置時觸發(fā)光電門使得APP程序開始計時,當小球完成設定的全振動次數(shù)時停止計時,自動把振動時間除以全振動的次數(shù),得到單擺的周期并呈現(xiàn)出來。

        3.2 測量重力加速度的大小

        改變手機APP程序中輸入的單擺的擺長或需要測量的單擺全振動的次數(shù),進行多次實驗,計算得出重力加速度的平均值(實驗值),把計算得出的重力加速度的平均值與當?shù)氐闹亓铀俣鹊臄?shù)值(真實值)進行比較,可得到實驗的相對誤差值(表1)。

        表1

        4 可移動式智能單擺演示儀的教學應用評價

        將可移動式智能單擺演示儀應用于教學的實踐表明,該演示儀攜帶、安裝方便,智能化程度較高且操作簡單,無論是教師還是學生都能很快掌握其使用方法。

        該演示儀利用電磁鐵釋放擺球,能保證擺球釋放時初速度為0,更加符合單擺的定義,解決了以往用傳統(tǒng)單擺實驗裝置釋放擺球時初速度不為0所產(chǎn)生的問題。

        該演示儀與現(xiàn)代信息技術(shù)完美結(jié)合,實驗數(shù)據(jù)的采集和實驗結(jié)果的獲取都非常方便快捷,而且能夠在手機或電腦屏上清晰呈現(xiàn),更能激發(fā)學生的學習興趣,學生學習效果更好。

        5 結(jié)語

        經(jīng)過筆者不斷的研究和努力,使得可移動式智能單擺演示儀基本保留了傳統(tǒng)單擺實驗的特點,又融入了傳感器技術(shù),并且還能與手機、電腦有效結(jié)合,實現(xiàn)了物理實驗的信息化、現(xiàn)代化。筆者的研究還存在不足,比如單擺的擺長還不能實現(xiàn)更方便、更準確的測量,這是接下來要進行攻關(guān)的問題。筆者還打算把可移動式智能單擺演示儀與網(wǎng)絡相結(jié)合,開發(fā)成可讓實驗者在實驗室以外的地方就能進行遠程操控的實驗裝置。

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