自制单摆周期测量仪

谯坤凡　韩沁君

摘 要：利用51单片机为核心部件，用C语言编程设计了可以自动计时、计数且便于操作的单摆周期测量仪。利用该仪器，教师可以在课堂教学中演示实验，引导学生探究影响单摆周期的因素。

关键词：单摆周期；单片机；光电门；电磁铁

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）1-0046-3

1 设计背景

传统的单摆周期测量实验多采用人工计时、计数的方式或利用数字化实验系统展开。对于前者，由于每个人的反应时间不同，测得的时间与真实时间存在较大误差，且实验还需要较多时间去处理数据，教学效率较低。对于后者，数字化实验系统是基于计算机的一套完整的实验系统，覆盖了初中、高中的大部分实验。但是，它必须依靠计算机来观察数据，设备成本较高，学生的课堂参与度较低，普及程度不高。

为此，笔者设计了更适用于课堂教学的单摆周期测量仪。该仪器针对高中物理选修3-4中单摆部分而设计。利用单片机为核心部件，用C语言编程，实现单摆摆动过程的自动计数、计时。该仪器成本较低，易制作，教学时不依赖计算机，便于学生的自主探究。

2 仪器制作及原理

2.1 硬件

系统以光电门传感器（红外屏障模块）、51单片机（STC12C5A60S2-35I-PDIP40 1T）为核心部件，可以用手机充电器做系统的电源（提供稳定电压）。数据是在液晶显示屏上显示，系统设计时，在液晶屏上显示三组数据：计数（记录摆球通过光电门的次数）；预设次数（设置摆球经过光电门记录次数的最大值，即次数达到时，系统自动停止计时）；总时间。计时、计数系统电路图如图1，仪器全景图如图2。

当摆球第一次经过光电门时，光电门产生电信号，系统开始计数（记录摆球经过光电门的次数）和计时；当摆球第N次经过光电门时，系统中断计时、计数，并在液晶屏幕上显示次数“N=**”以及时间“Time=***”（时间的单位为0.1 s，即测量时间的精度为0.1 s）。

通过电磁铁控制小球的释放。可以提前调整好摆球摆动面，使摆球、电磁铁、光电门中心在一个平面内，这样可以避免摆球做圆锥摆运动。

摆线长度可以通过支架杆上的刻度直接读出来，摆线的角度可以通过量角器直接读出。

当探究测量次数对周期的影响时，可通过加减按钮来设置测量的次数N（加减一次N改变2），即次数N与周期数n之间的关系满足n=。

系统配有复位（清零）键，按动时系统数据自动清零，可进行重复实验。

光电门是红外屏障模块，可以避免环境中可见光对实验的影响。

2.2 程序

程序分为主程序、按键程序、显示程序、计时器中断程序和计算程序。

通过程序实现计数系统对计时系统的控制，即摆球第一次经过光电门时，计时系统开始计时，当计数到达预设值时，计时系统停止计时，并在液晶显示屏上显示测量的次数N以及时间TIME。

通过按键程序，可以预设测量次数N，探究次数N对周期的影响。

3 实验演示

3.1 探究单摆的周期和摆长的关系

通过观察，不难发现，影响单摆周期的因素可能有：重物的质量，偏角的大小，摆线的长度，测量次数，空气阻力。

由于空气阻力的影响无法完全克服，在实验过程中我们采用体积较小的小钢球作为重物，以降低空气阻力对单摆周期的影响。

教师不妨利用控制变量的思想，设计4次实验，分别探究4个变量对单摆周期的影响。

小摆球的直径为16 mm，大摆球的直径为20 mm。小摆球的质量为20 g，大摆球的质量为40 g。

（1）探究质量对单摆周期的影响

通过实验，可得到如表1所示的数据。可以看到，摆球质量对单摆周期无影响。

（4）探究测量次数对周期的影响

通过实验可以得到表5的数据。可以看到，当测量次数较小时，测量时间的误差较小。

4 仪器优势

4.1 针对性强，简单易懂

该仪器是在传统人工实验基础上的改进。主要针对单摆的周期测量及利用单摆测重力加速度展开设计。教学时，学生容易操作，也能通过科学探究得出结论。

4.2 丰富课堂，操作性强

教学时，教师可在课堂上演示实验，也可让学生探究实验。让学生通过观察与探究，更好地掌握有关单摆的物理知识。同时，因为仪器利用单片机计时、计数，节省了大量的实验时间，提高了实验效率。

4.3 实验创新，形象有趣

光电门、单片机等材料的使用扩展了学生的课外知识，提高了学生的学习兴趣。在一定程度上，还让学生更加了解现代科学技术在物理教学中的应用，实现了学以致用。

4.4 参与实验，科学探究

教学时，教师不妨引导学生自主猜想，提出影响单摆周期的因素，再利用仪器探究影响单摆周期的因素。

5 结束语

自制单摆周期测量仪有诸多优点，但它仍有一些不足之處，如刻度尺的分度值为5 mm，在测量摆线长度时可能存在误差，且小球自身大小对实验数据测量也存在着影响，实验仪器的外观也还可以进一步美化。笔者会继续改进，优化单摆周期测量仪的设计。

参考文献：

[1]杨欣，王玉凤.51单片应用从零开始[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]潘学军.物理实验方法与演示教具制作[M].北京：科学出版社，2012.

（栏目编辑 王柏庐）