打點計時器是很多運動學實驗要用到的器材，然而紙帶對研究對象運動的影響難以有效消除，導致實驗誤差較大，降低實驗信度，弱化了教學效果。隨著技術(shù)的進步，一直以來，教師在此方面做了一些有益的探索，例如天津師范大學教師李鵬杰利用手機慢動作功能進行自由落體運動的精確研究^[1]，方法巧妙，但涉及時間轉(zhuǎn)換的計算，容易分散學生的思維重心，且因慢放功能不能隨意調(diào)節(jié)而影響實驗場景的自由度。中國人民大學附屬中學教師吳月江利用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)碼相機快門調(diào)節(jié)攝錄物體運動^[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量儀器進行校正。這對實驗者搭建電路及調(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行編程控制、頻率精確、體積小巧的自頻閃物體，使中學物理運動學實驗得以更有效地開展，也為中學生開展課外自主探究活動提供了利器。

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進行接線（如圖1和圖2）。引腳對應排序如下：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）。為燒錄引導程序做準備。

第四步：設置好Arduino IDE（如圖3），點擊工具欄中的“燒錄引導程序”。

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，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，如果單獨用電池為ATtiny 13A供電（如可用3節(jié)1.5伏的干電池實現(xiàn)），可制作極其小巧且可以隨時修改頻閃周期的自頻閃物體（如圖4）。

二、手機拍攝頻閃照片的方法

利用自頻閃物體，通過調(diào)節(jié)手機拍攝功能中的感光度和快門時間，可以拍攝出質(zhì)量較高的頻閃照片。當然，手機拍攝頻閃照片存在系統(tǒng)誤差。筆者做了一個簡單的實驗，探究如何輔助實驗者收集更有信度的實驗數(shù)據(jù)。如圖5（a）所示，當標尺在自頻閃物體運動平面后面時，標尺“縮小”——原來長為的標尺在相片中只有那么長了。為了降低這一系統(tǒng)誤差，實驗時一方面可以將手機攝像頭放置在離實驗平面更遠的位置（同時利用放大拍照功能配合拍攝），另一方面盡可能使標尺和自頻閃物體運動所在面共面，如圖5（b）所示。

三、實驗示例

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，可以被手機輕易且清楚地捕捉位置，實驗者操作十分方便。

（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拖尾問題。筆者利用幾何畫板進行數(shù)據(jù)分析（如圖7），通過實驗測得本地自由落體加速度為9.85 m/s²，與標準值9.81 m/s²之間僅有0.41%的相對誤差。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)，打點計時器可被完全取代。排除紙帶對小車運動的干擾因素后，實驗結(jié)果更好。自頻閃的周期完全可控。此方法是突破打點計時器固化的打點周期、提高學生靈活變通能力的一個妙招，也是自頻閃物體優(yōu)于打點計時器的又一亮點（實驗情景與結(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動

如果用細線系住可編程自頻閃物體，將其裝入一個半透明的塑料球中（這是避免自身轉(zhuǎn)動遮住燈光，或者做成雙線擺控制頻閃物體自轉(zhuǎn)），可以用它來精細研究更為一般的曲線運動。筆者就地取材，通過簡單搭建實驗情境，研究豎直面內(nèi)的圓周運動。如圖9所示，筆者固定柜門，將細線一端固定其上，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)物體運動的速度變化情況（如圖10）。

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

首先，該學生發(fā)現(xiàn)了細線在最低點處最長，在最高點處最短，切身感受到繩子的形變。這對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)實驗中忘記記錄柜門下沿到自頻閃球的實際距離，于是他用機械能守恒定律進行了反向推測，得到合理的結(jié)果，鍛煉提升了思維能力?？梢姡瑢⒋朔ㄓ糜隍炞C機械能守恒定律是可行的。它突破教材中用自由落體法驗證的做法，使學生更加深刻地體會動能定理以及機械能守恒定律的優(yōu)越性。

（三）利用可編程自頻閃物體研究機械振動

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械振動規(guī)律。圖12是實驗者讓自頻閃物體盡可能保持勻速水平運動，用手機拍攝出其振動規(guī)律的圖像。如果將彈簧振子安置在軌道小車上，使其勻速運動，并調(diào)整自頻閃的頻率，可以快速獲得振子的精確振動圖像，省出更多時間用于互動?？删幊套灶l閃物體應用在機械振動實驗的研究上，又一次顯著體現(xiàn)出其相對于打點計時器的優(yōu)越性。

四、總結(jié)

在傳統(tǒng)的實驗教學中，優(yōu)化實驗的思路有實驗改進與自制教具等。實驗改進通常是基于知識的理解需要而對原實驗進行優(yōu)化，或者是基于同一實驗目的而另外設計實驗;自制教具則是在“器”上做文章，通常是為了提高實驗可見度、簡化實驗操作步驟、激發(fā)學生興趣而設計的。應當說，實驗改進與自制教具是物理實驗教學的常見思路，客觀上對物理實驗教學起到了重要的促進作用，但其主體是教師，體現(xiàn)的是教師的智慧，學生只可能是其“受體”，而在學生自主創(chuàng)新實驗中，學生是主體，學生是用自己的智慧去創(chuàng)新實驗設計。這就意味著學生自己分析實驗原理，自己思考并選擇實驗器材，自己設計操作步驟，教師在其中只起到指導、幫助作用^[3]?；谶@樣的認識，我們對可編程自頻閃物體的應用，要更有利于學生自行開展科學探究活動——自頻閃物體的緊湊型結(jié)構(gòu)，有利于學生將其嫁接到其他研究對象上，開展自我主導性的實驗;可編程的特性是學生面對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品發(fā)給學生，為其開展科學探索提供物質(zhì)和精神支撐。這樣的教具改進嘗試，無疑是有價值的。

參考文獻

[1] 李鵬杰.利用智能手機慢動作視頻錄制研究自由落體運動[J].中學物理，2020（3）：54-56.

[2] 吳月江.用自頻閃方法研究自由落體運動[J].教學儀器與實驗，2009（9）：10-12.

[3] 湯金波，黃網(wǎng)官.學生自主創(chuàng)新實驗是未來物理教學的最優(yōu)途徑[J].實驗教學與儀器，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附屬中學樹人學校特級教師;梅曉璇系北京和平街一中教師）

責任編輯：祝元志