新型振动规律智能演示仪

◆山东省乳山市第一中学 马心悦 黄腾达 刘翔昀

简谐运动和阻尼运动是高中物理的重点，也是难点，现在高中物理新教材采用水平弹簧振子替代以前的砂摆演示简谐运动的图像， 但目前实验室的简谐运动演示仪有诸多不足，比如，描绘图像的笔不稳定、用笔描图时摩擦力较大、画出的图像不规范、实验效果差等。

其他用于该实验的演示装置也或多或少存在不足，比如装置控制系统不够智能、精准度低、实验结果展示方式落后等。

所以，我们萌发了设计一种自动化程度更高、效果更好的简谐运动与阻尼运动演示装置的想法。

一、基本思路

该演示装置采用数字控制技术，机电一体。在安装气垫导轨的基础上，让弹簧振子在气垫导轨上运动，摩擦力极小，能最大限度地保证简谐振动的等幅性。利用Arduino控制器，用程序控制电机运行，从而带动执行机构自动完成气垫导轨的开启与关闭、弹簧振子的起振与停振、在磁力画板上绘制或擦除振动图像、演示结果实时投放等，还可自动初始化，方便重复演示。

二、研究过程

1.初步方案

本装置由电源系统、主控制系统、执行机构三部分构成。电源系统给主控系统、电机驱动板、气泵、执行机构等提供不同的工作电压与电流。主控系统采用Arduino 2560控制器，是装置的“大脑”，指挥执行机构运行。按键控制装置的启动、归零。执行机构中的三个电机在主控芯片的指挥下，分别带动舵机、画板、磁力擦条运动。

图1 新型振动规律智能演示仪结构示意图

2.模型制作及测试

这个装置看起来简单，但对于我们来说做起来很难。

机械传动部分用到的零部件数量多，各个零部件之间要相互协调、尺寸精确对应才能正常运行。机械传动部分的结构形式会影响控制精准度，如果处理不当会造成运动过程中出现不必要的抖动、颤动等问题，继而导致演示结果不精准。

如果需要演示多次，如何清除画板上的画线？采用手动还是电动的方式？手动方式最简单，电动方式的难点在于机械结构、软件控制部分难以处理，因为我们采用的电机是步进电机，不是普通的直流电机，需由程序控制才能正常运转。步进电机驱动程序方面的知识，我们还需要边学习、边实践。

3.确定方案

根据多次模型测试的结果，我们从软件和硬件两方面进行了如下改进。

（1）采用小型气垫导轨演示弹簧振子运动规律，可以极大减小摩擦力，最大程度地展现简谐运动的特点。为了保证弹簧振子处于水平运动状态，在机箱上表面安装水平仪，通过调整机箱四脚的高度，使气垫导轨处于水平状态。

（2）装置前端加装一个LED指示灯，装置通电后，系统初始化，指示灯闪烁之后长亮，提示装置已完成准备工作，可随时待命。

（3）弹簧振子上安装的圆形磁片可作为画笔，振子运动时可在磁力画板上画出图像。

（4）程序控制继电器的开合，从而自动控制气泵启动、关闭。

（5）利用Arduino控制器，通过编程控制电机X带动气垫导轨上方滑块上的舵机运动，让舵机臂适时转动90度，拨动振子，然后舵机臂回转、归零，从而代替手推、放振子使之起振的动作，操作更加精准、稳定。

（6）控制器控制电机Y适时转动，通过皮带带动磁力画板推出、停止、收回。弹簧振子运动过程中，画笔被推出，可在磁力画板上画出振动图像，即可直观显示振动物体的运动规律。

（7）画板下方安装强磁条做成的擦条，控制器控制电机Z适时转动，擦除上一次实验数据的图像。

（8）实验效果可用两种方式展示。第一种是在机箱上安装可伸缩手机支架，使用时展开支架，将手机调整到合适的视角，利用投屏软件，实时将演示效果投放在大屏幕上。第二种是采用视频展台，将演示效果实时传输到大屏幕上。

历经千辛万苦，我们终于制作出原型机，经测试，其各项功能基本达到了我们的预期。

三、创新点

该智能演示仪结构科学紧凑，精准度高，操作简便，实用性强。按键控制程序自动运行，能模拟人手控制弹簧振子起振、停振，画笔可实时画出运动规律图像，形象直观，且图像能自动擦除。实验结果能实时投放到屏幕上，展示效果好。

图2 演示效果

四、进一步的设想

1.完善控制程序，使仪器结构更精简，运行更稳定，精准度更高。

2.缩小演示仪的体积，方便人们使用。

作者心声

我们体验了一次完整的项目设计制作过程，尽管制作的原型机还存在不足，但我们通过这段创新经历，学到了许多书本上学不到的知识，拓宽了视野，提升了自身的科学素养。

专家点评

新型振动规律智能演示仪是一项用于高中物理教学的改进型作品。该项目采用数字控制技术，机电一体，具备人手模拟功能，按键控制演示程序自动运行，操作简便，有一定的新颖性和实用性。能在学习中找到创新课题，对于高中生来说，实属不易。

同时，该项目技术的综合运用较为复杂、制作难度大，体现了发明人勇于创新实践、培养创新品格的决心与毅力。不足之处在于，模型体积过大且粗糙，建议进一步完善与优化，以便真正适合高中物理“简谐振动和阻尼振动”的辅助教学。