單擺振動圖像演示儀的改進

馮彩儀，程敏熙，郭可馨

(華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006)

人教版高中物理選修(3-4)第11章第4節中“注射器噴墨法”獲取單擺振動圖像的演示實驗，在實際操作中存在諸多不足：1)注射器中的墨水不易控制而流動不止，容易把紙弄臟；2)勻速拖動白紙難以操作，導致圖像準確度欠佳；3)教師演示時難以實現描繪的同時讓全班學生看清圖像的形成過程[1-3]；4)振動圖像不能方便地重復獲取. 基于此，筆者受光電鼠標追蹤技術[4]的啟發，對該實驗裝置進行了改進.

1 實驗裝置和原理

實驗裝置包括硬件和軟件2部分：硬件部分如圖1所示，在懸掛的擺球中放置光電鼠標，其無線接收端接入電腦USB端口中，在擺球下方放置感光板(實際為鼠標墊)使光電鼠標得到感應. 當擺球擺動時，鼠標指針在電腦屏幕中移動，從而相當于把擺球的運動軌跡投影到屏幕上. 軟件部分是窗體應用程序“Move”，用于描繪單擺振動圖像，并同時測量時間.

圖1 單擺振動演示儀

2 實驗裝置的制作

2.1 硬件部分的制作

1) 準備材料:塑料空心吊球(直徑為7cm)、002型號指環光電鼠標、鼠標墊、保鮮膜、150g細沙、尼龍繩、泡沫、卡紙.

2) 把沙子裝入保鮮膜中制成沙包，均勻地填充塑料球，并在球的中部預留空間放置光電鼠標.

3) 在球的下方開孔，孔的大小稍大于光電鼠標的底面積.

4) 制作合適的空心柱狀泡沫，放入球的中部與沙子緊貼，用于固定光電鼠標，如圖2所示.

圖2 擺球

5) 用2根尼龍繩把做好的擺球懸掛起來形成雙線擺(雙線可保證擺球在豎直平面內擺動).

6) 取長30cm、寬13cm、高5cm矩形泡沫板，根據擺球擺動的幅度，將泡沫板的一面做成弧面，并鋪上鼠標墊或其他感光材料，另外用卡紙對泡沫板進行簡單包裝，如圖3所示.

圖3 用卡紙包裝后的泡沫板

2.2 軟件部分的制作

用C#編寫窗體應用程序“Move”[5-7]，實現的功能主要包括：

1)畫圖功能,任意按下鼠標時，可畫任意曲線.

2)計時功能,在軟件界面右下角同步顯示描繪單擺振動圖像所用的時間,從而得到擺球振動1次所用時間即周期.

3)在軟件上模擬勻速拖動紙板過程的功能,添加時間軸，即鼠標指針按一定速度從左往右平移像素點，設置快捷鍵“S”和“P”，分別控制時間軸的開啟與關閉.

4)擦除功能,設置快捷鍵“E”，實現擦除已畫曲線的功能.

以下是程序代碼的主體部分:

namespaceMove

{

publicpartialclassForm1:Form

{

privateboolCanMove=false;

publicPointstartpt,endpt;

[DllImport(“user32”)]

privatestaticexternintmouse_event(intdwFlags,intdx,intdy,intcButtons,intdwExtraInfo);

privateconstintMOUSEEVENTF_MOVE= 0x0001;

privateconstintMOUSEEVENTF_ABSOLUTE=0x8000;

privateintt= 0;

publicForm1()

{

InitializeComponent();

}

privatevoidForm1_MouseDown(objectsender,MouseEventArgse)

{

This.CanMove=true;

Startpt.X=e.X;

Startpt.Y=e.Y;

}

privatevoidForm1_MouseMove(objectsender,MouseEventArgse)

{

if(this.CanMove==true)

{

Graphicsg=this.CreateGraphics();

Endpt.X=e.X;

Endpt.Y=e.Y;

g.DrawLine(newPen(Color.Red, 3),startpt,endpt);

startpt=endpt;

}

}

privatevoidForm1_MouseUp(objectsender,MouseEventArgse)

{

Graphicsg=this.CreateGraphics();

g.DrawLine(newPen(Color.Red,1),this.startpt,newPoint(e.X,e.Y));

this.CanMove=false;

}

privatevoidForm1_Load(objectsender,EventArgse)

{

This.timer1.Enabled=false;

This.timer1 =this.timer1 =newSystem.Windows.Forms.Timer();

This.timer1.Interval= 20;

This.timer1.Tick+=newEventHandler(timer1_Tick);

}

privatevoidtimer1_Tick(objectsender,EventArgse)

{

intwidth=Screen.PrimaryScreen.Bounds.Width;

intheight=Screen.PrimaryScreen.Bounds.Height;

intoffsetX= (MousePosition.X+ 3) * 65535 /width;

intoffsetY= (MousePosition.Y+ 1) * 65535 /height;

mouse_event(MOUSEEVENTF_ABSOLUTE|MOUSEEVENTF_MOVE,offsetX,offsetY, 0, 0);

}

}

}

3 教學演示

1)演示前，把光電鼠標的無線接收端接入電腦USB端口中，打開開關并放入擺球中，把感光板放到擺球的下方，調節兩者距離在2mm范圍內，但不接觸.

2)調節光電鼠標在擺球中的位置以達到效果：擺球在豎直平面內擺動時，鼠標指針在計算機屏幕中的上下移動.

3)在計算機中選擇“控制面板-個性化-更改鼠標指針-指針選項”降低鼠標指針移動的精確度，打開“Move”軟件的界面，拖動計算機鼠標使指針移到界面左側(合適位置).

4)小角度拉開擺球并靜止釋放，觀察到鼠標指針在屏幕中上下移動.

5)按下快捷鍵“S”以啟動時間軸，指針的勻速右移與上下移動相結合，同時按下計算機鼠標左鍵進行畫圖，擺球振動一定次數后，按下快捷鍵“P”以結束指針右移，同時松開鼠標左鍵，結束畫圖，得到單擺振動圖像如圖4所示.可清晰看到，圖中的振動圖像為正弦函數圖像，振動9個周期，界面右下角顯示時間為11.75s，從而得到單擺振動周期為1.31s.

圖4 單擺振動圖像

6)如果操作過程中由于外界干擾使感光出錯導致畫出的圖線欠佳，可以按下快捷鍵“E”擦除已畫的圖線，重新進行畫圖.

4 結束語

該實驗儀器的制作取材容易，操作簡單，方便攜帶. 光學感應器高精度的光學引擎使得描繪的振動圖像準確度更高，而且對描繪的振動圖像進行計時，容易得到較為準確的周期，同時可以方便地探究擺長與周期的關系.

參考文獻：

[1] 尹高生. 描繪單擺振動圖像的新實驗裝置[J]. 物理教師，2011，32(3):29.

[2] 江陽，徐勝. 環保節約型單擺振動圖像演示儀[J]. 物理教學探討，2011，29(10):33-34.

[3] 王維民，李金. 單擺振動圖像演示器的改進[J]. 教學儀器與實驗，2006(6):44-45.

[4] 張曉斌，佐斌，薛孟杰，等. 基于鼠標追蹤技術的個體建構過程實時測量[J]. 心理科學進展，2012，20(5):770-781.

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[6] 范盛榮. Visual C#2008控件使用范例詳解[M]. 北京:清華大學出版社，2009:10.

[7] 田原，李素若，文斌. C#程序設計[M]. 北京：北京交通大學出版社，2005:252-261.

[8] 王占平. 精確測量單擺周期[J]. 物理實驗，2006，26(10):27-28，30.