肖亮松 尤立娟 吳蓁蓁 林澤航

(廣東省汕頭華僑中學(xué)，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(xué)生必做實驗，目前在教學(xué)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(fù)研究，不斷改進，設(shè)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(xué)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(yù)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(xué)中的應(yīng)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(shè)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(xué)應(yīng)用評價

將可移動式智能單擺演示儀應(yīng)用于教學(xué)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(xué)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(xué)生的學(xué)習興趣，學(xué)生學(xué)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(luò)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。