智能化凸透镜成像演示仪的设计与制作

刘保庆

[摘 要]文章所说的凸透镜成像演示装置主要由STC89C52控制电路、电源电路、LCD显示器、功能选择按键、可动滑块光具座、改良光屏和改良光源等部分组成。各个模块之间可以根据不同实验要求进行更换和组合，特别适用于中学物理凸透镜成像实验的演示。

[关键词]凸透镜成像;演示仪;单片机

[中图分类号]    O439        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）29-0057-03

探究凸透镜成像规律是中学生必做的光学实验，该实验不仅可以使学生了解凸透镜的成像规律，而且可以培养学生“实验—分析—归纳”的科学探究能力，培养学生形成学习的独立性、主动性。探究凸透镜成像规律实验的难点主要集中在以下三点：一是实验中需要学习的新内容比较多;二是记录的数据很难精确描述;三是实验光源难以准确把握。例如，人教版、北师大版初中物理教材中使用的光源都是蜡烛，蜡烛的火焰很容易受周围环境影响，要找到清晰、稳定的像较难。文献[1]-[3]用灯泡或LED制成“F”字形的光源替代蜡烛， 这对理解实验有一定的帮助，但效果有限。

本文对传统凸透镜成像实验装置进行改进，制作了一个演示装置，以帮助学生克服理解上的困难，使学生在有限的课堂时间内正确理解和把握凸透镜成像的实质。

一、总体设计及实验方案

凸透镜成像演示装置的主要设计思路是：（1）利用超声波测距模块测量物距和相距;（2）在透镜、成像屏下部加装电机驱动的移动装置;（3）对光屏和光源进行改进，消除光源不稳定，光屏成像不清晰的缺点。以上模块均通过单片机控制，只要按下一个按键即可自动完成凸透镜成像实验的演示。

凸透镜成像演示装置主要由STC89C52控制電路、电路电源、LCD显示器、功能选择按键、可动滑块光具座、改良光屏和改良光源等部分组成。各模块间可根据不同实验要求进行更换和组合，在功能选择键盘上可以根据实验对象不同选择不同的模块组合，并且根据不同实验要求选择不同的自动化程度。当重新选择功能或在演示过程中出现死机时，可以按复位键还原。电源采用稳压后的5 V电源对单片机主控电路及液晶显示屏供电。LCD上可以显示物距、像距、凸透镜的移动距离等测量数据，按下处理按键可对所有数据进行选择性处理。

单片机采用STC89C52作为控制芯片。它是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，支持在线下载程序。采用MG996R步进电机作为控制凸透镜移动的动力源。其工作原理是由接收机发出讯号给步进电机，经由电路板上的 IC芯片判断转动方向，再驱动马达转动，通过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测芯片送回讯号，判断是否已经到达要求转动的角度。采用超声波测距模块测量物距与像距。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片产生振动，将机械能转换为电信号。使用1602液晶屏制作显示模块。它能同时显示32个字符，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

二、控制系统

控制系统主要由STC89C52控制电路、电源电路、LCD显示器、功能选择按键、两个步进电机控制电路组成。按键模块承担选择功能，电源电路负责系统的供电，STC89C52单片机负责控制信号的输出，步进电机和光源负责实验效果的完成。具体流程见图1。

最小系统由复位电路、震荡电路、上拉电阻和一片STC89S52单片机组成。最小系统的复位电路既有电复位，也有手动复位，方便操作和调试。单片机最小系统如图2所示。调试本程序需用KEIL C51和51开发板及其配套的STC下载登录软件。

三、创新点及难点

本装置主要创新之处在于：（1）针对蜡烛光源容易受热变形、跳动不稳定、成像不够清晰、易产生黑烟等缺点，本实验改为用红、绿发光二极管制作“”形状光源，并用独立的开关和电源分别控制红、绿光源。该光源形状和颜色都更有利于观察成像后的特点，且光源稳定可靠，可以重复使用。（2）光屏成像后靠目测来检验像的大小不准确，在光屏上和光源上标上等间距线，在光屏和光源上形成大小相当的矩形，采用数格子的方法，便可以简单比较大小。（3）利用超声波测距模块，测量物距和像距，在透镜、成像屏的下部加装电机驱动的移动装置。

主要技术难点在于：（1）各个装置单独操作容易，但要将它们按照模块化组装，并且在单片机控制下完成一套完整严谨的光学实验，不但制作严格而且需要控制精确。（2）传感器测量数据速度快，但对环境有着更苛刻的要求，如何调整并且补偿由于环境改变导致的误差就显得很重要。

四、制作过程

1.制作“

实验所需要的器材为：[5 cm×10 cm]白色亚克力白板，发光二极管（红、绿各12只），杜邦线（4根各50 cm左右），铁钉，速干记号笔。

制作步骤如下：首先在亚克力白板上划出[1 cm×1 cm]的方格，并用速干记号笔描黑。如图3所示，将发光二极管按“”字样镶嵌排列在方格板上，左边 12只红色二极管并联，通过一个继电器供电，由一个单片机IO口独立控制这些二极管的亮灭;右边类似，只是用绿色二极管替代了红色二极管。这样制作的光源既可以分步骤进行实验操作，又可以从整体上让学生理解凸透镜成的像是倒立实像。

2.光具座的改装

光具座改装所需器材为：传统光具座实验装置一套，步进电机（2个），钢尺（精度1 mm，规格要求和光具座原有的一致，0刻度在中央，左边50 cm，右边50 cm）。

光具座的改装。传统光具座由铝合金导轨、光源基座、凸透镜基座、光屏基座组成。我们首先将刻度尺换掉，并将凸透镜置于新刻度尺的0刻度处固定。在光源基座、凸透镜基座下加装步进电机，并固定，步进电机旋转的时候基座要能够无阻碍的随电机移动，这样光源和光屏就可以受单片机控制了。由于STC89S52单片机只有32位IO口，为避免控制接口不够用，可以用步进电机控制芯片，这样只需使用4位IO口就可以控制两个步进电机。最后在光具座两端各固定一个超声波测距模块。光具座如图4所示。用单片机控制的光源、光屏等，并且可以在单片机控制下在導轨上移动，改用0刻度在中央的刻度尺可以方便学生直接读出像距和物距。

所需器材为[10 cm×20 cm]白色亚克力板，铁钉，速干记号笔。具体制作步骤为：在光屏上用铁钉划出和光源上的方格一模一样的[1 cm×1 cm]的方格，并用速干记号笔描黑痕迹。本装置中由于使用了划格的光源和光屏，比较像和物的大小时，只需查出像和物所占方格数量即可。

五、演示过程

由教师将光具座固定在桌子上，然后将凸透镜固定在刻度尺中央，再将光源、光屏各滑至凸透镜两边20 cm处。注意调节三者中心在同一高度的直线上，并让光屏和光源所在的面与光具座的轴线垂直。然后打开开关，接通电源。装置开机后，输入所使用的凸透镜焦距，让装置自动校准。LCD屏上显示“开机校准”，校准完毕后即可使用上下方向键，选择演示实验内容。

教师可根据实验需要合理选择物距和焦距。具体实验步骤如下：

（1）选择[u>2 f]

首先用上下方向键选择“[u>2 f] ”，此时单片机控制步进电机，用微波测距仪测量光具座到光源的距离，将光源移动到两倍焦距之外，然后将光屏先置于光具座最末端，再缓慢向凸透镜方向移动，当使用者看到清晰的像时，即可点击OK键。此时光屏停止移动，如果成像不够理想，还可以用左右方向键移动光屏（用来微调）。双击OK键，LCD显示此时的物距和像距数值。

（2）选择[u=2 f]

用上下方向键选择“[u>2 f] ”。此时单片机控制步进电机，用微波测距仪测量光具座到光源的距离，将光源置于两倍焦距处，然后移动光屏置于两倍焦距处，LCD显示此时的物距和像距数值。

（3）选择[f

用上下方向键选择“[f

同理，可以演示[u=f] 和[u

如何让学生正确理解凸透镜所成的像是“倒立实像”是实验的关键。我们通过以下三个环节来实现这一目标。

一是点击按键单独打开红色二极管单箭头型光源，引导学生观察它通过凸透镜成的是倒立的像，是左右倒立？上下倒立？还是“上下左右同时”倒立？

二是单独打开绿色二极管单箭头型光源，重复 上述步骤，强化对“倒立”的理解。

三是同时打开红绿二极管光源，引导学生观察光源通过凸透镜所成的倒立的放大或缩小的实像，再次从“整体”上理解倒立的含义，这时可以清晰地看到“上下、左右同时倒立”的实像。

六、结论

本装置利用超声波测距模块测量物距和像距，在透镜、成像屏下部加装电机驱动的移动装置，并将以上模块通过单片机进行控制。只要按下相应功能键，即可完成凸透镜成像的实验演示。这是对传统凸透镜成像实验装置的有效改进，具有很好的推广价值。

[   参   考   文   献   ]

[1]  熊月.探究凸透镜成像规律实验的改进[J].中小学实验与设备， 2012（5）：31-32.

[2]  陈平.《凸透镜成像规律》实验教学的几点做法[J].课程教育研究， 2018（52）：147.

[3]  刘海芳.探究凸透镜成像规律的实验改进[J].中学物理教学参考，2018（ 32）：42-43.

（责任编辑 易志毅）