基于LabVIEW的牛顿第二定律实验教学平台设计

高远静，吴先球

（华南师范大学，广东广州 510006）

基于LabVIEW的牛顿第二定律实验教学平台设计

高远静，吴先球＊

（华南师范大学，广东广州 510006）

为了改善传统牛顿第二定律的教学局限，将基于声卡的数据采集技术和虚拟仪器测量技术引进牛顿第二定律实验，研制加速度传感器，在上位机利用Lab VIEW软件编程进行数据处理和图像显示，构成一套智能实验系统。

Lab VIEW；牛顿第二定律；加速度传感器；图像显示

牛顿第二定律实验是物理力学实验里最基本、最重要的实验之一，传统的在长木板上进行的实验方案存在较多难以消除的误差［1］，不能满足定量实验的教学需求，同时装置调节的操作繁琐，不利于聚焦完整的探究教学任务，逐渐被融入数字化信息技术的新型实验所取代。

本文提出把基于声卡的数据采集技术和虚拟仪器测量技术引进牛顿第二定律实验，提高实验教学过程的效率和实验结果的精确度，为广大教师提供多一个融合新技术新方法的牛顿第二定律实验方案，为学生们提供多一个利用先进测量技术自主设计实验、探究自然规律的机会。

1 设计思路

牛顿第二定律实验是探究物体加速度与合外力、质量之间关系。本实验在气垫导轨装置上安装自制的加速度传感器测量滑块做匀加速直线运动时的加速度大小，然后用数据采集器采集和传送数据给上位机，最后用Lab VIEW软件处理数据和显示测量结果，并作出a-F关系，a-M关系和a-1／M关系图像，根据图像归纳物体加速度与合外力、质量之间关系，从而得出牛顿第二定律的结论。

考虑现行的普遍实验方案中用平均速度代替瞬时速度存在系统误差，所以本实验使用经过理论修正的公式计算加速度［2］：

d为遮光片的宽度，tAB为条形遮光片的前沿抵达两个光电门的时间差，tA、tB为经过光电门A、B的用时。

实验系统的总体框架图如图1所示，其中测量信号通过搭建实验平台来产生，传感器和数据采集器制作硬件电路完成，数据处理和图像分析利用Lab VIEW软件编程完成。

图1 实验系统框架图

2 加速度测量模块

该加速度测量模块主要由光电门及其外围电路的加速度传感器、以CM108音频芯片为核心的直流转交流数据采集器［3］、虚拟仪器数据处理和测量显示界面四部分组成，下位机主要完成信号采集工作，信号处理工作主要在上位机虚拟仪器上完成。可以精确测量出遮光片通过光电门的时刻，并且能够在计算机上显示采集到的脉冲信号，把脉冲信号与实际运动过程相结合，提取相应的时刻信息进行软件编程就计算出研究对象的加速度大小。

完整的程序流程图如图2所示：

图2 加速度测量程序

加速度测量界面如图3所示，主要由光电脉冲信号图像和数值计算显示两大部分组成。用户开始实验操作并运行程序后，在得到的脉冲信号图像上移动4个游标到相应位置，点击“计算”按钮显示各物理量的测量结果，根据测量原理和显示数据计算加速度的大小，再与软件计算结果进行对比。

图3 加速度测量界面

3 图像构建模块

基于虚拟仪器的牛顿第二定律实验教学平台设计了实验数据处理中很重要的一个智能模块——图像构建模块，如图4所示，它包括了加速度与合外力关系的图像和加速度与质量关系的图像，每一部分都是收集前面进行测量的实验数据，整合成一个实验数据记录表格，再在界面的坐标图上描点，作出拟合曲线，最后根据多次实验得到的拟合曲线分析规律，归纳结论。

图4 图像构建程序

4 系统实验测试分析

首先进行物体加速度与合外力的关系测试实验，控制滑块总质量为377.01 g，此处忽略不计滑块与气垫导轨上的空气内摩擦，以滑块所受的拉力作为合外力，用加速度测量模块采集数据。采用本平台虚拟仪器开发的“加速度与合外力关系图像”进行计算机描点作图和线性拟合，如图5（a）所示，线性拟合相关系数R2为0.996 9，呈显著正相关，接近原点的偏差为0.5%，测量的百分误差为0.6%，拟合直线的延长线与纵坐标原点相交，可以得到牛顿第二定律结论。

第二大组的实验进行加速度与质量的关系测试实验，采用本平台虚拟仪器开发的“加速度与质量关系图像”进行计算机描点作图和线性拟合，如图5（b）所示为加速度与质量的拟合曲线，a-M图显示拟合曲线的幂函数的幂值为-1.02，在2%的误差范围内，可以总结两个物理量成反比例关系。图5（c）所示为加速度与质量的倒数的拟合直线，线性拟合相关系数R2为0.990 4，呈显著正相关，接近原点的偏差为2%，拟合直线的延长线（虚线）与纵坐标原点相交，可以得到牛顿第二定律结论。

图5 测试结果

5 教学应用价值分析

基于Lab VIEW软件编写的实验系统可以实现从物理量测量到数据分析的一体化智能实验系统，既保留了关键的动手操作步骤，也将课堂效率大大提高，教师从而可以引导学生把注意力集中在学习科学探究的整体思路和方法上［6］。

借助图形化语言通俗形象的编程特点还可以进行二次开发，拓展全套系统各项功能，可以应用于开展与时间、速度和加速度有关的运动学实验：研究弹性和非弹性碰撞中的动量和能量变化、研究单摆运动、测量重力加速度、测量自行车轮的线速度和周期、研究受迫简谐振动的振子频率……从而培养学生运用现代科技手段解决实际问题的能力和实践创新能力［7］。

6 结 论

从实际教学需求出发，基于虚拟仪器的牛顿第二定律实验教学平台采用经过理论修正的加速度算法，利用电子元件计时迅速的特点制作加速度传感器，实验测试误差在1%以下，使该实验更精确，符合定量实验需求。同时编写了与实验装置相匹配的实验系统软件，打造一体化智能实验平台，提高课堂效率和质量，为教师教学演示和学生实验探究服务。

［1］ 吴月江，汪维澄.关于牛顿第二定律实验的讨论［J］.教学仪器与实验，2008（9）：23-27.

［2］ 杨述武，赵立竹，沈国土.普通物理实验1，力学、热学部分（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2007，12：64-70.

［3］ 何日光，吴先球.基于LABVIEW和USB声卡的直流信号采集设计［J］.电子元器件应用，2012（2）：41-43.

［4］ M.Suzanne Donovan，John D.Bransford.How Students Learn：Science in the Classroom［M］.Washington，D.C：The National Academies Press，2005：475-512.

［5］ 吕红英，吴先球，李凌燕等.利用虚拟仪器技术，改革物理实验教学［J］.中山大学学报论丛，2006（26、5）：66-70.

The Design of Teaching Platform of Newton’s Second Law Experiment Based on LabVIEW Instrument

GAO Yuan-jing，WU Xian-qiu
（South China Normal University，Guangdong Guangzhou 510006）

The data logger technology based on sound card and virtual instrument technology were introduced to the Newton’s second law experiment for the improvement of instruction.The acceleration sensor was developed，with Lab VIEW software in PC to program for the data processing and image display.The device forms an intelligent experiment system.

Lab VIEW；Newton’s second law；acceleration sensor；image display

G 633.7

A

1007-2934（2013）06-0077-03

2013-07-25

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