朱新培 邱欣平

(贛州市興國(guó)平川中學(xué) 江西 贛州 342400)

1 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，傳感器等數(shù)字化儀器已經(jīng)普及到了各級(jí)各類學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器組成的光電數(shù)字計(jì)時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)成為了物理實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置[1].用它們可以進(jìn)行速度、加速度、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、周期和頻率等物理量的測(cè)量.用這套系統(tǒng)組合其他的實(shí)驗(yàn)裝置，可以完成如探究牛頓第二定律、動(dòng)能定理、驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律、用單擺測(cè)重力加速度、研究碰撞中的動(dòng)量守恒等實(shí)驗(yàn).然而由于光電傳感器器件小、計(jì)時(shí)短、紅外光束不可視等原因，導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中的核心部分——光電門和計(jì)時(shí)器的工作原理卻不甚了解，由此引發(fā)的實(shí)驗(yàn)誤差更是一無(wú)所知.

基于這種情況，筆者設(shè)計(jì)并制作了一套巨型真人版的光電門演示系統(tǒng)，用于演示光電門的計(jì)時(shí)原理、測(cè)量平均速度、獲得瞬時(shí)速度的原理、分析系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因及其應(yīng)對(duì)方法.

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該演示儀的框架圖如圖1所示.用直徑為25 mm的PVC水管做框架，拼接成一個(gè)高2 200 mm,寬900 mm,厚度300 mm的真人版門框①.門框左右兩側(cè)離地1 900 mm高處對(duì)稱地安裝一對(duì)激光對(duì)射傳感器的發(fā)射器②和接收器③.為了方便調(diào)節(jié)激光發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)，激光發(fā)射器和接收器都是用活動(dòng)扣安裝在兩片豎直透明亞克力板上，亞克力板又是插在兩根PVC水管所開(kāi)的豎直槽中，并且也可以上下移動(dòng)及左右微旋.在門框的一側(cè)，設(shè)計(jì)了一個(gè)用透明亞克力板做成的盒子，把單片機(jī)系統(tǒng)和控制電路④、大尺寸的數(shù)碼顯示管⑤、晶體石英鐘⑥整合在一起，懸掛在離地高1 200 mm處(其中石英鐘的時(shí)針和分針被拆除，只留下了秒針，以方便計(jì)數(shù)，且在石英鐘面罩上開(kāi)了一條水平槽，方便每次計(jì)時(shí)前，用手指撥動(dòng)秒針，讓計(jì)時(shí)清零).為了演示計(jì)時(shí)、測(cè)平均速度和瞬時(shí)速度，制作了兩塊寬分別為600 mm、100 mm的安裝有把手的白色擋光板⑦[2].

圖1 光電門演示儀框架圖

3 電路設(shè)計(jì)及工作原理

本設(shè)計(jì)中主要采用的元器件有E3F-20C1激光對(duì)射光電開(kāi)關(guān)、DC12 V 繼電器(5腳)、STC89 C52RC單片機(jī)系統(tǒng)、3寸4位LED數(shù)碼顯示管、普通晶體石英鐘、可調(diào)LM2596穩(wěn)壓模塊.

演示儀的電路設(shè)計(jì)如圖2所示，電路主電源采用12 V直流電源供電，因?yàn)樗x的激光對(duì)射傳感器和大尺寸數(shù)碼顯示管的工作電壓是12 V的，而單片機(jī)系統(tǒng)的工作電壓為5 V的，所以電源又分一路通過(guò)一個(gè)12 V轉(zhuǎn)5 V的降壓模塊給單片機(jī)供電.

圖2 光電門演示儀電路模塊圖

當(dāng)激光發(fā)射器發(fā)出的紅色激光射向接收器，使接收器輸出低電平.一旦激光被擋，接收器沒(méi)有接收到激光時(shí)，接收器就會(huì)輸出12 V高電平，觸發(fā)繼電器線圈通電，開(kāi)關(guān)被吸合到上端觸點(diǎn)，接通石英鐘的干電池電源，石英鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)低電平信號(hào)也接通了單片機(jī)的P34腳(這里用的是STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)，繼電器常開(kāi)時(shí)，P34所連接的繼電器開(kāi)關(guān)處于懸空狀態(tài)，單片機(jī)I/O口P34默認(rèn)置高電平)，當(dāng)P34獲得低電平信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)時(shí)程序開(kāi)始計(jì)時(shí).當(dāng)擋光板通過(guò)光電門，激光恢復(fù)對(duì)射，接收端輸出低電平，繼電器斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，石英鐘斷電，停止計(jì)時(shí)，同時(shí)單片機(jī)P34腳又恢復(fù)高電平，程序停止計(jì)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的顯示驅(qū)動(dòng)程序，可以在大尺寸數(shù)碼顯示管中實(shí)時(shí)顯示激光對(duì)射傳感器被擋住光的時(shí)長(zhǎng)，這就實(shí)現(xiàn)了光電門的數(shù)字計(jì)時(shí)功能.

4 軟件設(shè)計(jì)

自制演示儀的計(jì)時(shí)及顯示程序用C語(yǔ)言編寫，主要分成三大模塊，一是信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)的程序；二是計(jì)時(shí)和數(shù)顯值的轉(zhuǎn)換模塊，即要把從定時(shí)器所得到的計(jì)時(shí)數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管要顯示的時(shí)間數(shù)據(jù)(包括小數(shù)點(diǎn))；三是數(shù)碼管顯示的驅(qū)動(dòng)程序，單片機(jī)通過(guò)串口通信驅(qū)動(dòng)大尺寸(3寸)4位LED數(shù)碼顯示管.其主程序流程如圖3所示.

圖3 光電計(jì)時(shí)流程圖

5 主要用途

(1)模擬光電門計(jì)時(shí)測(cè)速

(2)研究光電門測(cè)速誤差的產(chǎn)生原因和應(yīng)對(duì)方法

圖4 實(shí)際擋光寬度對(duì)有效運(yùn)動(dòng)距離的圖示

由于自制演示儀使用的是激光光源，所以在擋光片中能有效地形成可見(jiàn)的光斑，便于進(jìn)行圖4(a)的誤差分析.而傳統(tǒng)的光電門是由一對(duì)紅外發(fā)光二極管和接收二極管組成的，發(fā)出的紅外光線肉眼不可見(jiàn)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生誤差的原因.

實(shí)踐中采用雙翼?yè)豕馄瑏?lái)替代單擋光片就能消除實(shí)驗(yàn)誤差，如圖4(b)所示，以常用的10.0 mm規(guī)格的U型擋光片為例，其每個(gè)片翼寬度是5.0 mm，兩擋光片翼之間間隔也是5.0 mm，只要把單片機(jī)計(jì)時(shí)程序改成第1次高電平向低電平跳變時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，第2次高電平向低電平跳變時(shí)停止計(jì)時(shí)，即如圖4(b)中，光斑相對(duì)運(yùn)動(dòng)到位置3時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)到位置4時(shí)停止計(jì)時(shí)，由于同一個(gè)光電門觸發(fā)條件相同，顯然有Δs=d，與X的多少無(wú)關(guān)，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差[3,4].

6 結(jié)束語(yǔ)

新課標(biāo)下的高中物理教學(xué)，對(duì)中學(xué)物理教師提出了更高的要求，要求教師盡量通過(guò)實(shí)驗(yàn)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)物理情境，通過(guò)讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象形成物理觀念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究讓學(xué)生掌握科學(xué)探究方法，形成良好科學(xué)思維.自制演示儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便，操作簡(jiǎn)單、直觀有趣，性能穩(wěn)定、測(cè)量精度較高.作為一個(gè)演示儀器，能讓學(xué)生有足夠的參與度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助他們更好地理解光電門測(cè)量平均速度、瞬時(shí)速度的原理，又能直觀地分析光電門測(cè)速產(chǎn)生誤差的原因，更好地理解使用雙翼?yè)豕馄脑?