線狀頻閃光源制作及其應用

劉小洪

(廣州市真光中學 廣東 廣州 510380)

劉立科

(廣東省南粵集團 廣東 廣州 511145)

文 雯

(珠海橫琴動能科教文化有限公司 廣東 珠海 519031)

1 問題:無配套器材

新粵教版高中物理必修第一冊第34頁，有如圖1所示配圖，教材用這個裝置替代了用打點計時器研究物體的勻變速直線運動[1].

圖1 教材圖片

教材中“將小球從緊靠豎直支架A的位置由靜止釋放，小球沿著傾斜直槽向下運動，用頻閃照相機對著小球的運動進行拍照……，對位移的變化進行研究”.

幾乎所有的學校都沒有配套實驗器材，這給教學帶來不便，為此，我們制作了這套實驗器材供教師們參考.

2 方案:線狀頻閃光源

線狀頻閃光源，由方波脈沖發生器模塊、觸發與控制電路模塊、LED燈帶、“︼ ”形鋁合金軌道、電磁鐵、12 V直流電源、開關及支架、底座等部件組成.為配合線狀頻閃光源完成運動規律探究，還需要數碼照相機、相機三角架以及黑色遮光布等.

將方波脈沖發生器模塊和觸發與控制電路模塊組裝在一個盒子里，這個模塊稱為“控制器”；將LED燈帶嵌在“︼ ”形鋁合金軌道底部并粘牢，這個模塊叫“直槽軌道”；支架1的高度可調，用于改變直槽軌道傾斜角度，也就改變了小球運動的加速度；支架2和支架3用于撐起遮光布.整個儀器如圖2所示，其中所用的模塊或配件都能在網上買到.

線狀頻閃光源對在傾斜直槽軌道上運動的小球進行頻閃照射時，用數碼相機的“B”門對小球進行曝光，這樣就能得到很清晰的頻閃照片，再把所得的頻閃照片導出到電腦，就可以進行數據分析.

這套實驗器材的特點如下：新穎、簡單、可靠、易仿制、易操作.

圖2 線狀頻閃光源結構圖

3 原理

線狀頻閃光源方框圖如圖3所示，12 V直流電源是方波脈沖發生器、觸發與控制器、LED燈帶及電磁鐵的共用電源，S1是電源總開關，S2是電磁鐵控制開關， S2掌控著位于傾斜直槽頂端的小球靜止或釋放狀態.

圖3 線狀頻閃光源方框圖

各單元要素分述如下：

3.1 方波脈沖發生器模塊

網上可購買到，如圖4所示.這個模塊用12 V直流電供電，它能產生頻率范圍是1 Hz～100 kHz的方波脈沖，所需頻率是通過調節模塊上的“頻率調節”旋鈕來獲得的，輸出的方波脈沖頻率數值可以從模塊上的“頻率顯示”上獲知.在本實驗中，小球運動速度不大，加速度也不大，故采用10 Hz頻率，這樣，小球影像間距、影像數據量比較合適；當頻率為20 Hz時，小球影像比較密集，間距較小，不利于測距；當頻率為5 Hz時，小球影像稀疏，能采集到的數據較少.實操中，頻率的大小只要跟斜槽軌道傾角、軌道長度匹配，能獲得足夠多的、合適的影像數據即可，而在對自由落體運動進行拍照時，需把頻率調至20～30 Hz.

圖4 方波脈沖發生器模塊

不僅如此，這個模塊所產生的方波脈沖占空比也能調節.這一點對獲得理想的實驗數據也很重要，因為方波脈沖的占空比過大，頻閃時發光時間過長，而在這段時間內小球正在運動，這樣會導致所拍小球的影像出現重影(或叫拖尾)現象，使影像不清晰.為此，我們通過“占空比調節”旋鈕來調小占空比.本實驗中，當調節到占空比顯示為“1”時，就能得到非常清晰的頻閃照片，如圖7所示.

因為光是從斜直槽軌道向上射向小球底部的，所以，只有位于斜直槽內的、下半部小球才會被照亮，因此小球影像就會形成很特別的“月牙”形狀.

3.2 觸發與控制電路模塊

網上可購買到，如圖5所示.

圖5 觸發與控制電路模塊

方波脈沖發生器模塊產生的方波功率很小，不足以直接推動LDE燈帶發光，為此，我們將“方波輸出”的方波信號送到“觸發與控制電路”模塊的輸入端子(要注意正、負極對應)，對方波脈沖功率進行適當放大，如圖5所示.

兩只大功率MOS管及外圍元件組成放大電路，實現了對模塊OUT端口所接的LED燈帶的亮與不亮的控制，使LED燈帶按照我們所設定的頻率和發光時間進行頻閃.實驗研究發現，從“方波脈沖發生器”PWM輸出的脈沖信號，直接用兩條導線與“觸發與控制電路模塊”的輸入端相連，LED燈帶就能正常受控頻閃，無需任何調試，便于老師們仿制，這是本裝置的一個突出優點.因為燈帶是線狀的，所以這個頻閃光源就叫線狀頻閃光源.

3.3 燈帶與斜直槽軌道

如圖6所示，這個模塊需自制.燈帶與直槽軌道等長，長度約80 cm左右.燈帶有很多種，我們選購的是長條狀鋁基板12 V LED燈帶，它寬約1.8 cm，正好可以嵌在寬約2cm的“︼ ”形鋁合金軌道的槽底，再用雙面膠或“502”膠水粘牢，小球在軌道上運動時不會與微微凸起的LED燈珠相碰觸.燈帶的“正”與“負”極分別接在圖5模塊OUT(+)與OUT(-)接線端口上.

圖6 燈帶和“︼ ”形直槽軌道

將這條安裝有燈帶的鋁合金軌道斜放在支架1上，就構成了“傾斜直槽”軌道，小球能在其上做勻加速直線運動.

由于LED燈帶上相鄰兩個小燈珠之間距離與小球直徑(1.8 cm)差不多，所以無論小球運動到哪個位置，光都是從底部向上均勻照射小球的，這樣，小球在任意位置的影像大小、亮度都相同，數據非常準確，系統誤差小，這比點狀頻閃光源更先進，這就是我們制作線狀頻閃光源的原因.因此，用頻閃照相法研究勻變速直線運動時，優先用線狀頻閃光源.

3.4 電磁鐵

我們選用的是6 V電磁鐵(體積小，直徑與軌道寬度差不多)，把它放在有LED引線的斜槽軌道一端，正好卡在鋁合金軌道內，用膠帶把它固定在斜槽軌道上.因供電電壓是12 V，所以要用100 Ω,功率>1 W的電阻與電磁鐵串聯.12 V電磁鐵體積通常很大，不合用.

接通開關S2，小球被電磁鐵吸引住，靜止于斜直槽軌道頂端；斷開S2，小球被釋放，開始在斜槽做勻加速直線運動.

3.5 支架和黑色遮光布

頻閃照相要求在無環境光的條件下拍攝，顯然，無論在教室還是在實驗室，都很難具備這種拍攝條件.我們的實驗發現，只要用一塊較大黑布蓋在線狀頻閃光源和數碼相機上，支架2、支架3就能撐起黑布，營造出滿意的“無光”環境，拍到如圖7所示的理想照片.而圖8所示頻閃照片是在夏天，上午10∶45，室外陽光很強，把教室內的燈光全部關掉，把窗簾合上，不用黑布蓋住實驗器材的條件下得到的，也基本能滿足實驗要求.

圖7 小球在斜直槽上運動的頻閃照片

圖8 背景較亮時的頻閃照片

3.6 數碼相機

有帶“B”門的數碼相機就行，對相機像素大小沒有特殊要求.如果數碼相機具有“線控快門”配件就更好，用它控制“B”門將會更加方便，若無此配件，直接用手控制“B”門.

4 應用舉例

新粵教版高中物理必修第一冊第34頁，研究勻加速運動的位移特點.

4.1 拍頻閃照片

(1)實驗前先要對相關知識做必要鋪墊：接通電源開關S1，調節頻閃光源的閃光頻率和占空比，讓學生觀察不同頻率、不同占空比時的閃光情況，認識頻閃光源，理解閃光頻率和閃光時間，然后把頻率調定為“10” Hz，占空比調定為“1”.

(2)接通開關S1和S2，頻閃開始，同時小球被電磁鐵吸住，斷開S2，小球從頂部由靜止狀態釋放，讓學生觀察小球在向下運動的過程中一次一次被頻閃光源照亮，感受小球在軌道上運動以及停止運動時的聲響差異.如果在暗室，只有頻閃光源閃光時小球才會被照亮，從而得到小球在不同時刻、不同位置時的影像，這就是“頻閃照相”原理.

(3)將數碼相機用三角架支起，置于線狀頻閃光源斜直槽軌道的正前方，大約80～100 cm遠處，使相機與軌道中部差不多等高，如圖9所示，相機快門設置為“B”門、調焦設置為“手動聚焦”.

圖9 頻閃燈與相機的位置關系

(4)對著軌道和小球進行調焦，使軌道和小球的成像最清晰，再用黑布蓋在線狀頻閃光源和相機上部.

(5)用一只手按下快門“B”門，另一只手同時按開關S2，使其斷開，小球釋放，聽見小球到達底部發出的聲響時(小球在斜槽軌道上滾動時的聲音與到達軌道底部落到球網時的聲音不同)，松開“B”門，完成頻閃照片的拍攝，重復幾次操作，多拍幾張頻閃照片.

(6)調節支架1的高度，改變斜槽軌道的傾角即改變小球運動的加速度，重復上述步驟.

(7)將數碼相機拍的照片導入多媒體系統中，打開所拍的照片，選出其中需要的照片.

4.2 數據處理

打開所選的頻閃照片，以某一張照片為例說明數據處理方法.

調整顯示比例，得到一幅大小合適的圖像，截取其中一部分，然后利用多媒體自帶繪圖工具對小球影像進行畫線、測量、對比等數據處理，敘述如下：

(1)在每個小球的影像右側(也可以左側)，畫出豎直線段，如圖10所示.

圖10 畫豎線

(2)在相鄰兩條豎直線間標注表示位移的符號S1,S2,S3,…，如圖11所示.

(3)量出各段線段長度S1,S2,S3,…，并把它們復制到影像下空白處，并列起來，如圖11所示.

圖11 量線段長度

(4)對比相鄰兩線段長度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,…，會發現差值相等.

我們也可以下載一個“尺”軟件，用電子尺更直接地測量出S1,S2,S3,…的數值，再計算相鄰兩段長度差值S2-S1,S3-S2,S4-S3,….

(5)綜合分析得出結論：勻變速直線運動中，在任意兩個連續相等的時間內的位移差是相等的.

5 應用拓展

這個裝置還可以研究自由落體規律，研究平拋運動規律，觀察水滴在空中“懸浮”，研究轉動中的風扇葉片出現“三葉”“六葉”現象等.

創新之處：針對物體在較大范圍內運動研究的實際需要，將傳統頻閃光源的發光點，改成線狀發光帶，且閃光頻率和閃光時間這兩個參數均可通過設置的旋鈕進行調整，兩個參數都能通過數字形式顯示出來.填補了教材無配套演示實驗器材這一空白.此器材還一物多用，非常適合于研究物體直線運動規律的各種場合(如自由落體運動)，也便于沒有此實驗器材的教師成功仿制.