陳劍峰

摘 要：筆者利用Visual Basic語言和STC89C52單片機及DIY無線光電計時器，對傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的實驗儀器更直觀，操作簡便，數(shù)據(jù)精確。通過定量探究得到物理規(guī)律，學(xué)生對知識點的理解和記憶更加深刻，培養(yǎng)實驗思維能力，開拓創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：STC89C52；Visual Basic；光電計時；向心力；影響因素；定量探究

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）3-0054-3

1 該項目選題的確定

在現(xiàn)行高中物理教材中，F(xiàn)=Mω2r的確立非常抽象，是教材的重難點。

國內(nèi)高中物理一直使用的傳統(tǒng)J2130演示儀（如圖1）。旋臂轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)臂上的鋼球產(chǎn)生離心現(xiàn)象，沿半徑方向移動，改變了半徑及動力臂值，測出來的向心力有偏差；該演示儀又是手搖轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；只能目測向心力的大小，誤差很大；實驗只能定性地說明向心力大小與半徑、角速度和質(zhì)量的關(guān)系[1]。

利用圓錐擺粗略驗證向心力的影響因素，如圖2。較難使小球做圓周運動及確定擺球沿哪個圓做圓周運動，導(dǎo)致半徑R及H值誤差大[2]。

近年來的DISLab數(shù)字化實驗平臺，雖然數(shù)據(jù)很精確，但價格較貴。有的實驗設(shè)計軟件復(fù)雜，但實驗過程卻淡化了[2]。

為解決以上的問題，筆者在理論與實踐結(jié)合的過程中，對傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行改進(jìn)。

2 本實驗儀器簡介

2.1 儀器制作的主要材料

Visual Basic、無線鼠標(biāo)、光電感應(yīng)開關(guān)、STC89C52單片機自制無線向心力測量裝置、計算機、穩(wěn)壓電源、開關(guān)、減速電機、調(diào)速電路、砝碼、自行車輻條、黑色擋光桿、有機玻璃（三角支架、旋轉(zhuǎn)軸、底座等）、螺絲若干、導(dǎo)線若干。

2.2 制作說明

用有機玻璃做成底座；利用紅外光電感應(yīng)開關(guān)，將其信號端接入無線鼠標(biāo)芯片中，控制IO引腳；利用Visual Basic語言編寫單擊計時程序（千分之一秒），自制光電門；將砝碼中心打個直徑為2 mm的孔（自行車輻條剛好穿過），砝碼的側(cè)面鉆螺絲孔（將砝碼固定在輻條上），在轉(zhuǎn)板上以中心點為0刻上刻度線（用來快速控制、讀出半徑值）；切割有機玻璃條做成旋轉(zhuǎn)軸板，在軸板的一側(cè)固定兩塊三角形凹槽支架，用來架設(shè)軸桿，最外側(cè)固定擋光桿；采用STC89C52單片機研制無線向心力測量裝置，利用VB上位機通過串口與單片機通信；軟件界面設(shè)計為一主界面及三實驗界面組成?？梢詮闹鹘缑孢M(jìn)入任意一實驗界面，也可從任意一實驗界面返回主界面；實驗界面之一的計時欄，在TEXT顯示周期值，并通過公式自動轉(zhuǎn)化為角速度顯示在TEXT1中。通過Visual Basic語言實現(xiàn)自動記錄數(shù)據(jù)（鼠標(biāo)的光標(biāo)移到哪個空格，數(shù)據(jù)將自動填入該空格），為實驗探究節(jié)省了大量的時間；利用Visual Basic語言調(diào)用EXCEL，實現(xiàn)快速處理數(shù)據(jù)（描點、擬合顯示物理量的關(guān)系）。每個實驗界面設(shè)計有截圖功能，實現(xiàn)快速保存數(shù)據(jù)及結(jié)論[3]。

2.3 整體系統(tǒng)圖（如圖3、圖4）

2.4 實驗過程

2.4.1 實驗步驟

（1）打開計算機，組裝好儀器，打開向心力實驗軟件的主界面，進(jìn)入相應(yīng)的實驗界面；

（2）利用電子秤分別測量砝碼的質(zhì)量（包括指針），將橫桿穿過砝碼中心，外端上個螺絲固定，將橫桿架設(shè)在三角形支架的凹槽內(nèi)，橫桿的另一端與無線向心力測量裝置的掛鉤對接；

（3）讀出砝碼上指針對準(zhǔn)的刻度，記錄半徑R；

（4）閉合開關(guān)，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定后記錄旋轉(zhuǎn)的周期，軟件根據(jù)ω=2π/t自動算出角速度，并顯示在TEXT1中，將鼠標(biāo)光標(biāo)移至角速度數(shù)據(jù)欄，TEXT1中的角速度值將自動記錄在對應(yīng)的表格中；同時，無線向心力測量裝置自動將向心力的測量記錄到對應(yīng)的表格中；

（5）調(diào)整調(diào)速旋鈕，改變角速度ω，重新測量F（探究F與ω的關(guān)系）；

或改變砝碼的質(zhì)量，并調(diào)整調(diào)速旋鈕，控制角速度ω恒定，重新測量F（探究F與M的關(guān)系）；

或改變半徑R，并調(diào)整調(diào)速旋鈕，控制角速度ω恒定，重新測量F（探究F與R的關(guān)系）；

（6）分析數(shù)據(jù)，點擊描點按鈕，軟件調(diào)用EXCEL完成繪圖，并在相應(yīng)的界面顯示出來；點擊擬合按鈕，后臺將對數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，并將兩物理量間的關(guān)系通過公式顯示出來；

（7）得出實驗結(jié)論。

2.4.2 實驗數(shù)據(jù)（圖5—圖7）：

2.4.3 實驗結(jié)論

做圓周運動需要的向心力與物體的質(zhì)量成正比，與半徑成正比，與角速度的二次方成正比。

3 該項目的主要貢獻(xiàn)（創(chuàng)新部分）

在現(xiàn)行高中物理教材中， F=Mω2r的確立非常抽象，是教材的重難點。為解決高中物理在“探究影響向心力大小因素”的實驗儀器存在的不足。

本儀器利用Visual Basic語言，利用無線鼠標(biāo)自制光電計時器及STC89C5單片機，對傳統(tǒng)儀器向心力演示儀進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)：

第一、改進(jìn)后的實驗儀器更直觀，操作簡便，數(shù)據(jù)精確；

第二、通過Visual Basic語言設(shè)計的軟件實驗界面，更人性化，方便數(shù)據(jù)的記錄及數(shù)據(jù)的處理，為實驗探究節(jié)約大量的時間；

第三、通過定量探究得到物理規(guī)律，學(xué)生對知識點的理解和記憶更加深刻，也培養(yǎng)實驗思維能力和開拓創(chuàng)新能力，提供了豐富多彩的教育環(huán)境。既彌補課堂教學(xué)的不足，也讓學(xué)生體會到生活、技術(shù)中的物理。不僅能夠讓學(xué)生感到新鮮有趣，倍感親切，也對老師的能力產(chǎn)生敬佩感；

第四、改進(jìn)后的儀器成本更低（選材都是生活中常見的），有利于推廣（特別是農(nóng)村中學(xué)）。

參考文獻(xiàn)：

[1]翁華先.J2130型向心力演示器的改進(jìn)[J]. 教學(xué)儀器與實驗，1986（03）：32—33，45.

[2]劉銀奎.“用圓錐擺粗略驗證向心力表達(dá)式”實驗的改進(jìn)[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2012，41（04）：44—45.

[3]王桂香，韓恩山.Visual Basic語言編程物理化學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理程序的實踐[J].科技風(fēng)，2008（02）：79—81.

（欄目編輯 王柏廬）