可移动式智能单摆演示仪的开发与应用 ①

肖亮松 尤立娟 吴蓁蓁 林泽航

(广东省汕头华侨中学，广东 汕头 515000)

1 背景

“用单摆测量重力加速度的大小”是《普通高中物理课程标准(2017年版)》规定的学生必做实验，目前在教学中使用的装置存在以下问题：(1) 整个装置非常笨重，不方便携带；(2) 在释放摆球的时候很难实现初速度为零，容易变成圆锥摆，并因此增大了实验误差；(3) 由于实验者靠肉眼判断摆球经过最低点，实验误差较大。笔者经过反复研究，不断改进，设计、制作了“可移动式智能单摆演示仪”，不仅解决了传统实验装置存在的问题，还把实验与现代信息技术相结合，既发挥现代信息技术的优势，又使实验原理和方法的教学自然顺畅。

2 可移动式智能单摆演示仪的开发

2.1 构造和原理

可移动式智能单摆演示仪由4部分组成：

(1) 电磁铁

如图1所示，电磁铁由开关控制，通电时可吸住小球，断电后可释放小球，保证小球释放时的初速度为0。

图1

(2) 摆球装置

如图2所示，在支架上固定绳子的一端，绳子的另一端连接小球。

图2

(3) 光电门

如图3、图4所示，光电门由无线鼠标改造而成，主要部件是无线鼠标、激光发射器和探测器等。小球摆动经过光电门时遮住激光束，此时光电门电路中有电流流过，给无线鼠标一个信号，无线鼠标将采集到的信号通过插在手机上的无线接收器传输到手机中，手机APP程序开始计数和计时。

图3

图4

2.1.4 手机数据接收端

手机数据接收端由手机和无线鼠标接收器通过typeC转接头连在一起而构成，在手机内预先装好了用flash AIR编写好的手机APP程序。输入相关信息，该程序可以自动进行计时和计算，并把单摆周期以及重力加速度的计算结果呈现出来(图5)。

图5

使用可移动式智能单摆演示仪进行实验时，为增强可视化也可将手机APP程序投屏到电脑屏上(图6)。

图6

2.2 优点

(1) 利用自制的光电门，比传统光电门的测量更加方便和准确。

(2) 利用无线鼠标进行数据采集，可将数据传输到电脑或手机上呈现，且成本低廉、制作方便。

(3) 将自编的手机APP程序用于计时和计算，使单摆周期的计时更加方便和准确，使重力加速度的计算更加便捷，并可通过手机呈现数据，也可利用手机投屏功能，投屏到电脑屏上呈现数据，增强可视性。

(4) 用电磁铁释放摆球，更容易控制。

(5) 整套装置用不锈钢角铁做支架，通过强磁铁可吸附在黑板上，携带、安装都很方便。

3 可移动式智能单摆演示仪在教学中的应用

3.1 单摆周期的测量和计算

利用可移动式智能单摆演示仪，可快速采集实验数据并计算出单摆周期，其操作如下：

(1) 在手机APP程序中输入单摆的摆长和需要测量的单摆周期的个数；

(2) 断开电磁铁使小球从静止开始摆动，小球摆动到平衡位置时触发光电门使得APP程序开始计时，当小球完成设定的全振动次数时停止计时，自动把振动时间除以全振动的次数，得到单摆的周期并呈现出来。

3.2 测量重力加速度的大小

改变手机APP程序中输入的单摆的摆长或需要测量的单摆全振动的次数，进行多次实验，计算得出重力加速度的平均值(实验值)，把计算得出的重力加速度的平均值与当地的重力加速度的数值(真实值)进行比较，可得到实验的相对误差值(表1)。

表1

4 可移动式智能单摆演示仪的教学应用评价

将可移动式智能单摆演示仪应用于教学的实践表明，该演示仪携带、安装方便，智能化程度较高且操作简单，无论是教师还是学生都能很快掌握其使用方法。

该演示仪利用电磁铁释放摆球，能保证摆球释放时初速度为0，更加符合单摆的定义，解决了以往用传统单摆实验装置释放摆球时初速度不为0所产生的问题。

该演示仪与现代信息技术完美结合，实验数据的采集和实验结果的获取都非常方便快捷，而且能够在手机或电脑屏上清晰呈现，更能激发学生的学习兴趣，学生学习效果更好。

5 结语

经过笔者不断的研究和努力，使得可移动式智能单摆演示仪基本保留了传统单摆实验的特点，又融入了传感器技术，并且还能与手机、电脑有效结合，实现了物理实验的信息化、现代化。笔者的研究还存在不足，比如单摆的摆长还不能实现更方便、更准确的测量，这是接下来要进行攻关的问题。笔者还打算把可移动式智能单摆演示仪与网络相结合，开发成可让实验者在实验室以外的地方就能进行远程操控的实验装置。