线状频闪光源制作及其应用

刘小洪

(广州市真光中学 广东 广州 510380)

刘立科

(广东省南粤集团 广东 广州 511145)

文 雯

(珠海横琴动能科教文化有限公司 广东 珠海 519031)

1 问题:无配套器材

新粤教版高中物理必修第一册第34页，有如图1所示配图，教材用这个装置替代了用打点计时器研究物体的匀变速直线运动[1].

图1 教材图片

教材中“将小球从紧靠竖直支架A的位置由静止释放，小球沿着倾斜直槽向下运动，用频闪照相机对着小球的运动进行拍照……，对位移的变化进行研究”.

几乎所有的学校都没有配套实验器材，这给教学带来不便，为此，我们制作了这套实验器材供教师们参考.

2 方案:线状频闪光源

线状频闪光源，由方波脉冲发生器模块、触发与控制电路模块、LED灯带、“︼ ”形铝合金轨道、电磁铁、12 V直流电源、开关及支架、底座等部件组成.为配合线状频闪光源完成运动规律探究，还需要数码照相机、相机三角架以及黑色遮光布等.

将方波脉冲发生器模块和触发与控制电路模块组装在一个盒子里，这个模块称为“控制器”；将LED灯带嵌在“︼ ”形铝合金轨道底部并粘牢，这个模块叫“直槽轨道”；支架1的高度可调，用于改变直槽轨道倾斜角度，也就改变了小球运动的加速度；支架2和支架3用于撑起遮光布.整个仪器如图2所示，其中所用的模块或配件都能在网上买到.

线状频闪光源对在倾斜直槽轨道上运动的小球进行频闪照射时，用数码相机的“B”门对小球进行曝光，这样就能得到很清晰的频闪照片，再把所得的频闪照片导出到电脑，就可以进行数据分析.

这套实验器材的特点如下：新颖、简单、可靠、易仿制、易操作.

图2 线状频闪光源结构图

3 原理

线状频闪光源方框图如图3所示，12 V直流电源是方波脉冲发生器、触发与控制器、LED灯带及电磁铁的共用电源，S1是电源总开关，S2是电磁铁控制开关， S2掌控着位于倾斜直槽顶端的小球静止或释放状态.

图3 线状频闪光源方框图

各单元要素分述如下：

3.1 方波脉冲发生器模块

网上可购买到，如图4所示.这个模块用12 V直流电供电，它能产生频率范围是1 Hz～100 kHz的方波脉冲，所需频率是通过调节模块上的“频率调节”旋钮来获得的，输出的方波脉冲频率数值可以从模块上的“频率显示”上获知.在本实验中，小球运动速度不大，加速度也不大，故采用10 Hz频率，这样，小球影像间距、影像数据量比较合适；当频率为20 Hz时，小球影像比较密集，间距较小，不利于测距；当频率为5 Hz时，小球影像稀疏，能采集到的数据较少.实操中，频率的大小只要跟斜槽轨道倾角、轨道长度匹配，能获得足够多的、合适的影像数据即可，而在对自由落体运动进行拍照时，需把频率调至20～30 Hz.

图4 方波脉冲发生器模块

不仅如此，这个模块所产生的方波脉冲占空比也能调节.这一点对获得理想的实验数据也很重要，因为方波脉冲的占空比过大，频闪时发光时间过长，而在这段时间内小球正在运动，这样会导致所拍小球的影像出现重影(或叫拖尾)现象，使影像不清晰.为此，我们通过“占空比调节”旋钮来调小占空比.本实验中，当调节到占空比显示为“1”时，就能得到非常清晰的频闪照片，如图7所示.

因为光是从斜直槽轨道向上射向小球底部的，所以，只有位于斜直槽内的、下半部小球才会被照亮，因此小球影像就会形成很特别的“月牙”形状.

3.2 触发与控制电路模块

网上可购买到，如图5所示.

图5 触发与控制电路模块

方波脉冲发生器模块产生的方波功率很小，不足以直接推动LDE灯带发光，为此，我们将“方波输出”的方波信号送到“触发与控制电路”模块的输入端子(要注意正、负极对应)，对方波脉冲功率进行适当放大，如图5所示.

两只大功率MOS管及外围元件组成放大电路，实现了对模块OUT端口所接的LED灯带的亮与不亮的控制，使LED灯带按照我们所设定的频率和发光时间进行频闪.实验研究发现，从“方波脉冲发生器”PWM输出的脉冲信号，直接用两条导线与“触发与控制电路模块”的输入端相连，LED灯带就能正常受控频闪，无需任何调试，便于老师们仿制，这是本装置的一个突出优点.因为灯带是线状的，所以这个频闪光源就叫线状频闪光源.

3.3 灯带与斜直槽轨道

如图6所示，这个模块需自制.灯带与直槽轨道等长，长度约80 cm左右.灯带有很多种，我们选购的是长条状铝基板12 V LED灯带，它宽约1.8 cm，正好可以嵌在宽约2cm的“︼ ”形铝合金轨道的槽底，再用双面胶或“502”胶水粘牢，小球在轨道上运动时不会与微微凸起的LED灯珠相碰触.灯带的“正”与“负”极分别接在图5模块OUT(+)与OUT(-)接线端口上.

图6 灯带和“︼ ”形直槽轨道

将这条安装有灯带的铝合金轨道斜放在支架1上，就构成了“倾斜直槽”轨道，小球能在其上做匀加速直线运动.

由于LED灯带上相邻两个小灯珠之间距离与小球直径(1.8 cm)差不多，所以无论小球运动到哪个位置，光都是从底部向上均匀照射小球的，这样，小球在任意位置的影像大小、亮度都相同，数据非常准确，系统误差小，这比点状频闪光源更先进，这就是我们制作线状频闪光源的原因.因此，用频闪照相法研究匀变速直线运动时，优先用线状频闪光源.

3.4 电磁铁

我们选用的是6 V电磁铁(体积小，直径与轨道宽度差不多)，把它放在有LED引线的斜槽轨道一端，正好卡在铝合金轨道内，用胶带把它固定在斜槽轨道上.因供电电压是12 V，所以要用100 Ω,功率>1 W的电阻与电磁铁串联.12 V电磁铁体积通常很大，不合用.

接通开关S2，小球被电磁铁吸引住，静止于斜直槽轨道顶端；断开S2，小球被释放，开始在斜槽做匀加速直线运动.

3.5 支架和黑色遮光布

频闪照相要求在无环境光的条件下拍摄，显然，无论在教室还是在实验室，都很难具备这种拍摄条件.我们的实验发现，只要用一块较大黑布盖在线状频闪光源和数码相机上，支架2、支架3就能撑起黑布，营造出满意的“无光”环境，拍到如图7所示的理想照片.而图8所示频闪照片是在夏天，上午10∶45，室外阳光很强，把教室内的灯光全部关掉，把窗帘合上，不用黑布盖住实验器材的条件下得到的，也基本能满足实验要求.

图7 小球在斜直槽上运动的频闪照片

图8 背景较亮时的频闪照片

3.6 数码相机

有带“B”门的数码相机就行，对相机像素大小没有特殊要求.如果数码相机具有“线控快门”配件就更好，用它控制“B”门将会更加方便，若无此配件，直接用手控制“B”门.

4 应用举例

新粤教版高中物理必修第一册第34页，研究匀加速运动的位移特点.

4.1 拍频闪照片

(1)实验前先要对相关知识做必要铺垫：接通电源开关S1，调节频闪光源的闪光频率和占空比，让学生观察不同频率、不同占空比时的闪光情况，认识频闪光源，理解闪光频率和闪光时间，然后把频率调定为“10” Hz，占空比调定为“1”.

(2)接通开关S1和S2，频闪开始，同时小球被电磁铁吸住，断开S2，小球从顶部由静止状态释放，让学生观察小球在向下运动的过程中一次一次被频闪光源照亮，感受小球在轨道上运动以及停止运动时的声响差异.如果在暗室，只有频闪光源闪光时小球才会被照亮，从而得到小球在不同时刻、不同位置时的影像，这就是“频闪照相”原理.

(3)将数码相机用三角架支起，置于线状频闪光源斜直槽轨道的正前方，大约80～100 cm远处，使相机与轨道中部差不多等高，如图9所示，相机快门设置为“B”门、调焦设置为“手动聚焦”.

图9 频闪灯与相机的位置关系

(4)对着轨道和小球进行调焦，使轨道和小球的成像最清晰，再用黑布盖在线状频闪光源和相机上部.

(5)用一只手按下快门“B”门，另一只手同时按开关S2，使其断开，小球释放，听见小球到达底部发出的声响时(小球在斜槽轨道上滚动时的声音与到达轨道底部落到球网时的声音不同)，松开“B”门，完成频闪照片的拍摄，重复几次操作，多拍几张频闪照片.

(6)调节支架1的高度，改变斜槽轨道的倾角即改变小球运动的加速度，重复上述步骤.

(7)将数码相机拍的照片导入多媒体系统中，打开所拍的照片，选出其中需要的照片.

4.2 数据处理

打开所选的频闪照片，以某一张照片为例说明数据处理方法.

调整显示比例，得到一幅大小合适的图像，截取其中一部分，然后利用多媒体自带绘图工具对小球影像进行画线、测量、对比等数据处理，叙述如下：

(1)在每个小球的影像右侧(也可以左侧)，画出竖直线段，如图10所示.

图10 画竖线

(2)在相邻两条竖直线间标注表示位移的符号S1,S2,S3,…，如图11所示.

(3)量出各段线段长度S1,S2,S3,…，并把它们复制到影像下空白处，并列起来，如图11所示.

图11 量线段长度

(4)对比相邻两线段长度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,…，会发现差值相等.

我们也可以下载一个“尺”软件，用电子尺更直接地测量出S1,S2,S3,…的数值，再计算相邻两段长度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,….

(5)综合分析得出结论：匀变速直线运动中，在任意两个连续相等的时间内的位移差是相等的.

5 应用拓展

这个装置还可以研究自由落体规律，研究平抛运动规律，观察水滴在空中“悬浮”，研究转动中的风扇叶片出现“三叶”“六叶”现象等.

创新之处：针对物体在较大范围内运动研究的实际需要，将传统频闪光源的发光点，改成线状发光带，且闪光频率和闪光时间这两个参数均可通过设置的旋钮进行调整，两个参数都能通过数字形式显示出来.填补了教材无配套演示实验器材这一空白.此器材还一物多用，非常适合于研究物体直线运动规律的各种场合(如自由落体运动)，也便于没有此实验器材的教师成功仿制.