J2130传统向心力演示仪的创新改进

陈剑峰

摘 要：笔者利用Visual Basic语言和STC89C52单片机及DIY无线光电计时器，对传统仪器向心力演示仪进行改进。改进后的实验仪器更直观，操作简便，数据精确。通过定量探究得到物理规律，学生对知识点的理解和记忆更加深刻，培养实验思维能力，开拓创新能力。

关键词：STC89C52；Visual Basic；光电计时；向心力；影响因素；定量探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）3-0054-3

1 该项目选题的确定

在现行高中物理教材中，F=Mω2r的确立非常抽象，是教材的重难点。

国内高中物理一直使用的传统J2130演示仪（如图1）。旋臂转动时，旋转臂上的钢球产生离心现象，沿半径方向移动，改变了半径及动力臂值，测出来的向心力有偏差；该演示仪又是手摇转动，转速不稳定；只能目测向心力的大小，误差很大；实验只能定性地说明向心力大小与半径、角速度和质量的关系[1]。

利用圆锥摆粗略验证向心力的影响因素，如图2。较难使小球做圆周运动及确定摆球沿哪个圆做圆周运动，导致半径R及H值误差大[2]。

近年来的DISLab数字化实验平台，虽然数据很精确，但价格较贵。有的实验设计软件复杂，但实验过程却淡化了[2]。

为解决以上的问题，笔者在理论与实践结合的过程中，对传统仪器向心力演示仪进行改进。

2 本实验仪器简介

2.1 仪器制作的主要材料

Visual Basic、无线鼠标、光电感应开关、STC89C52单片机自制无线向心力测量装置、计算机、稳压电源、开关、减速电机、调速电路、砝码、自行车辐条、黑色挡光杆、有机玻璃（三角支架、旋转轴、底座等）、螺丝若干、导线若干。

2.2 制作说明

用有机玻璃做成底座；利用红外光电感应开关，将其信号端接入无线鼠标芯片中，控制IO引脚；利用Visual Basic语言编写单击计时程序（千分之一秒），自制光电门；将砝码中心打个直径为2 mm的孔（自行车辐条刚好穿过），砝码的侧面钻螺丝孔（将砝码固定在辐条上），在转板上以中心点为0刻上刻度线（用来快速控制、读出半径值）；切割有机玻璃条做成旋转轴板，在轴板的一侧固定两块三角形凹槽支架，用来架设轴杆，最外侧固定挡光杆；采用STC89C52单片机研制无线向心力测量装置，利用VB上位机通过串口与单片机通信；软件界面设计为一主界面及三实验界面组成。可以从主界面进入任意一实验界面，也可从任意一实验界面返回主界面；实验界面之一的计时栏，在TEXT显示周期值，并通过公式自动转化为角速度显示在TEXT1中。通过Visual Basic语言实现自动记录数据（鼠标的光标移到哪个空格，数据将自动填入该空格），为实验探究节省了大量的时间；利用Visual Basic语言调用EXCEL，实现快速处理数据（描点、拟合显示物理量的关系）。每个实验界面设计有截图功能，实现快速保存数据及结论[3]。

2.3 整体系统图（如图3、图4）

2.4 实验过程

2.4.1 实验步骤

（1）打开计算机，组装好仪器，打开向心力实验软件的主界面，进入相应的实验界面；

（2）利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，外端上个螺丝固定，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；

（3）读出砝码上指针对准的刻度，记录半径R；

（4）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；

（5）调整调速旋钮，改变角速度ω，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恒定，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）；

（6）分析数据，点击描点按钮，软件调用EXCEL完成绘图，并在相应的界面显示出来；点击拟合按钮，后台将对数据点进行拟合，并将两物理量间的关系通过公式显示出来；

（7）得出实验结论。

2.4.2 实验数据（图5—图7）：

2.4.3 实验结论

做圆周运动需要的向心力与物体的质量成正比，与半径成正比，与角速度的二次方成正比。

3 该项目的主要贡献（创新部分）

在现行高中物理教材中， F=Mω2r的确立非常抽象，是教材的重难点。为解决高中物理在“探究影响向心力大小因素”的实验仪器存在的不足。

本仪器利用Visual Basic语言，利用无线鼠标自制光电计时器及STC89C5单片机，对传统仪器向心力演示仪进行创新改进：

第一、改进后的实验仪器更直观，操作简便，数据精确；

第二、通过Visual Basic语言设计的软件实验界面，更人性化，方便数据的记录及数据的处理，为实验探究节约大量的时间；

第三、通过定量探究得到物理规律，学生对知识点的理解和记忆更加深刻，也培养实验思维能力和开拓创新能力，提供了丰富多彩的教育环境。既弥补课堂教学的不足，也让学生体会到生活、技术中的物理。不仅能够让学生感到新鲜有趣，倍感亲切，也对老师的能力产生敬佩感；

第四、改进后的仪器成本更低（选材都是生活中常见的），有利于推广（特别是农村中学）。

参考文献：

[1]翁华先.J2130型向心力演示器的改进[J]. 教学仪器与实验，1986（03）：32—33，45.

[2]刘银奎.“用圆锥摆粗略验证向心力表达式”实验的改进[J]. 中学物理教学参考，2012，41（04）：44—45.

[3]王桂香，韩恩山.Visual Basic语言编程物理化学实验数据处理程序的实践[J].科技风，2008（02）：79—81.

（栏目编辑 王柏庐）