J2130传统向心力演示仪的创新改进

2018-01-23陈剑峰

中国科技教育 2017年9期

陈剑峰

研究目的

现行高中物理教材中，圆周运动中的向心力内容是教学的重点与难点。“探究影响向心力大小因素”的实验是高中物理新课标明确要求掌握的内容，也是该章节必做的实验。向心力公式F=Mω2r的推演非常抽象，很难理解。传统演示“探究影响向心力大小因素”的实验仪器存在很多不足。本人利用Visual Basic语言和STC89C52单片机及自制无线光电计时器，对传统向心力演示仪进行改进。让实验现象更直观，操作更简便，数据更精确，也让学生对知识点的理解和记忆更加深刻。

设计基本思路

初步设想：增加电动机和连续调速电路，控制转速恒定（控制角速度）。利用电子秤改装成测力计，使数据更精确。使用有机玻璃做的三角支架支撑砝码轴，减小阻力，且可快速通过成对增减配重，改变质量（控制重心不变）。将无线鼠标改装成无线光电计时器，可以精确测量角速度，且能节省大量实验时间。另外，还在原演示仪上加装快速调整半径的结构，以便快速且精确测量改变后的半径大小。最后利用控制变量法，通过改变减速电机转速（角速度）、圆周运动半径、质量等参数，定量探究影响向心力大小的因素。第6代还增加了利用STC89C52单片机无线测量向心力的装置。

设计制作过程

设备、应用软件与器材

计算机、稳压电源、Visual Basic软件、无线鼠标、光电感应开关、迷你手提秤（第6代采用STC89C52单片机自制无线向心力测量装置）、开关、减速电机、调速度电路、砝码、自行车辐条、黑色圆珠笔外壳（作挡光片用）、有机玻璃（制作三角支架、旋转轴、底座等）、螺丝若干、导线若干。

制作说明

用有机玻璃制作底座，将减速电机固定在底座上部，将电源开关及调速装置固定在底座侧面，见图1。

利用红外光电感应开关，将其信号输出端接入鼠标芯片中控制中键的10引脚，利用Visual Basic语言编写计时程序（显示精度0.001秒），自制光电门，将光电门安装在底座上底的外侧位置。

在砝码中心打1个直径2mm的孔，让自行车辐条刚好能从其中穿过，砝码的侧面钻螺丝孔，将陆码固定在福条上。在自行车福条上加工出螺纹，砝码穿过后用螺母固定，方便快速调整半径，在转板上以中心点为0刻上刻度线，用于快速控制、读出半径值。

切割有机玻璃条做成旋转轴板，在轴板的一侧固定2块三角形凹槽支架，用于架设轴杆，另一侧面打3个孔，用最外侧孔固定挡光杆；中间孔安装1根长螺丝固定配重片；用STC89C52单片机将压力传感器受力变化转化为模拟电压信号，再通过HX711AD模块放大后转为数字信号输入发射端主控制器，利用Risym NRF24L01 2.4G无线接收通信模块将数据发送给接收端主控制器，利用VB上位机通过串口与单片机通信。

软件界面设计由1个主界面和3个实验界面组成。可以从主界面进入任意实验界面，也可从任意实验界面返回主界面。

通过Visual Basic语言实现自动记录数据，为实验探究节省了大量的时间。

利用Visual Basic语言调用Excel，实现数据快速处理（描点、拟合并显示物理量的关系）。每个实验界面设计有拍照功能，实现快速保存实验数据及结论。

改进后的演示仪整体系统见图2，实物见图3。

实验过程

组装好仪器，打开计算机，打开向心力实验软件主界面，进入相应的实验界面。

用电子秤分别测量砝码的质量（包括指针），将横杆穿过砝码中心，外端用螺丝固定，将横杆架设在三角形支架的凹槽内，横杆的另一端与无线向心力测量装置的挂钩对接。

读出砝码上指针对准的刻度，记录半径r。

闭合开关，旋转结构转动，稳定后记录旋转的周期，软件根据ω=2π/t自动算出角速度，并显示在TEXT1中，将鼠标光标移至角速度数据栏，TEXT1中的角速度值将自动记录在对应的表格中；同时无线向心力测量装置自动将向心力的测量记录到对应的表格中。

调整调速旋钮，改变角速度0，重新测量F（探究F与ω的关系）；或改变砝码的质量，并调整调速旋钮，控制角速度ω亘定，重新测量F（探究F与m的关系）；或改变半径r，并调整调速旋钮，控制角速度ω恒定，重新测量F（探究F与r的关系）。

分析数据，点击描点按钮，软件调用Excel完成绘图，并在相应的界面显不出来；点击拟合按钮，后台将对数据点进行拟合，并将两物理参数之间的关系通过公式显示出来。

仪器特点