智能化凸透鏡成像演示儀的設計與制作

劉保慶

[摘 要]文章所說的凸透鏡成像演示裝置主要由STC89C52控制電路、電源電路、LCD顯示器、功能選擇按鍵、可動滑塊光具座、改良光屏和改良光源等部分組成。各個模塊之間可以根據不同實驗要求進行更換和組合，特別適用于中學物理凸透鏡成像實驗的演示。

[關鍵詞]凸透鏡成像;演示儀;單片機

[中圖分類號]? ? O439? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）29-0057-03

探究凸透鏡成像規律是中學生必做的光學實驗，該實驗不僅可以使學生了解凸透鏡的成像規律，而且可以培養學生“實驗—分析—歸納”的科學探究能力，培養學生形成學習的獨立性、主動性。探究凸透鏡成像規律實驗的難點主要集中在以下三點：一是實驗中需要學習的新內容比較多;二是記錄的數據很難精確描述;三是實驗光源難以準確把握。例如，人教版、北師大版初中物理教材中使用的光源都是蠟燭，蠟燭的火焰很容易受周圍環境影響，要找到清晰、穩定的像較難。文獻[1]-[3]用燈泡或LED制成“F”字形的光源替代蠟燭， 這對理解實驗有一定的幫助，但效果有限。

本文對傳統凸透鏡成像實驗裝置進行改進，制作了一個演示裝置，以幫助學生克服理解上的困難，使學生在有限的課堂時間內正確理解和把握凸透鏡成像的實質。

一、總體設計及實驗方案

凸透鏡成像演示裝置的主要設計思路是：（1）利用超聲波測距模塊測量物距和相距;（2）在透鏡、成像屏下部加裝電機驅動的移動裝置;（3）對光屏和光源進行改進，消除光源不穩定，光屏成像不清晰的缺點。以上模塊均通過單片機控制，只要按下一個按鍵即可自動完成凸透鏡成像實驗的演示。

凸透鏡成像演示裝置主要由STC89C52控制電路、電路電源、LCD顯示器、功能選擇按鍵、可動滑塊光具座、改良光屏和改良光源等部分組成。各模塊間可根據不同實驗要求進行更換和組合，在功能選擇鍵盤上可以根據實驗對象不同選擇不同的模塊組合，并且根據不同實驗要求選擇不同的自動化程度。當重新選擇功能或在演示過程中出現死機時，可以按復位鍵還原。電源采用穩壓后的5 V電源對單片機主控電路及液晶顯示屏供電。LCD上可以顯示物距、像距、凸透鏡的移動距離等測量數據，按下處理按鍵可對所有數據進行選擇性處理。

單片機采用STC89C52作為控制芯片。它是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字節系統可編程Flash存儲器，支持在線下載程序。采用MG996R步進電機作為控制凸透鏡移動的動力源。其工作原理是由接收機發出訊號給步進電機，經由電路板上的 IC芯片判斷轉動方向，再驅動馬達轉動，通過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測芯片送回訊號，判斷是否已經到達要求轉動的角度。采用超聲波測距模塊測量物距與像距。超聲波發生器內部有兩個壓電晶片和一個共振板，當兩極外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波。當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產生振動，將機械能轉換為電信號。使用1602液晶屏制作顯示模塊。它能同時顯示32個字符，是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。

二、控制系統

控制系統主要由STC89C52控制電路、電源電路、LCD顯示器、功能選擇按鍵、兩個步進電機控制電路組成。按鍵模塊承擔選擇功能，電源電路負責系統的供電，STC89C52單片機負責控制信號的輸出，步進電機和光源負責實驗效果的完成。具體流程見圖1。

最小系統由復位電路、震蕩電路、上拉電阻和一片STC89S52單片機組成。最小系統的復位電路既有電復位，也有手動復位，方便操作和調試。單片機最小系統如圖2所示。調試本程序需用KEIL C51和51開發板及其配套的STC下載登錄軟件。

三、創新點及難點

本裝置主要創新之處在于：（1）針對蠟燭光源容易受熱變形、跳動不穩定、成像不夠清晰、易產生黑煙等缺點，本實驗改為用紅、綠發光二極管制作“”形狀光源，并用獨立的開關和電源分別控制紅、綠光源。該光源形狀和顏色都更有利于觀察成像后的特點，且光源穩定可靠，可以重復使用。（2）光屏成像后靠目測來檢驗像的大小不準確，在光屏上和光源上標上等間距線，在光屏和光源上形成大小相當的矩形，采用數格子的方法，便可以簡單比較大小。（3）利用超聲波測距模塊，測量物距和像距，在透鏡、成像屏的下部加裝電機驅動的移動裝置。

主要技術難點在于：（1）各個裝置單獨操作容易，但要將它們按照模塊化組裝，并且在單片機控制下完成一套完整嚴謹的光學實驗，不但制作嚴格而且需要控制精確。（2）傳感器測量數據速度快，但對環境有著更苛刻的要求，如何調整并且補償由于環境改變導致的誤差就顯得很重要。

四、制作過程

1.制作“

實驗所需要的器材為：[5 cm×10 cm]白色亞克力白板，發光二極管（紅、綠各12只），杜邦線（4根各50 cm左右），鐵釘，速干記號筆。

制作步驟如下：首先在亞克力白板上劃出[1 cm×1 cm]的方格，并用速干記號筆描黑。如圖3所示，將發光二極管按“”字樣鑲嵌排列在方格板上，左邊 12只紅色二極管并聯，通過一個繼電器供電，由一個單片機IO口獨立控制這些二極管的亮滅;右邊類似，只是用綠色二極管替代了紅色二極管。這樣制作的光源既可以分步驟進行實驗操作，又可以從整體上讓學生理解凸透鏡成的像是倒立實像。

2.光具座的改裝

光具座改裝所需器材為：傳統光具座實驗裝置一套，步進電機（2個），鋼尺（精度1 mm，規格要求和光具座原有的一致，0刻度在中央，左邊50 cm，右邊50 cm）。

光具座的改裝。傳統光具座由鋁合金導軌、光源基座、凸透鏡基座、光屏基座組成。我們首先將刻度尺換掉，并將凸透鏡置于新刻度尺的0刻度處固定。在光源基座、凸透鏡基座下加裝步進電機，并固定，步進電機旋轉的時候基座要能夠無阻礙的隨電機移動，這樣光源和光屏就可以受單片機控制了。由于STC89S52單片機只有32位IO口，為避免控制接口不夠用，可以用步進電機控制芯片，這樣只需使用4位IO口就可以控制兩個步進電機。最后在光具座兩端各固定一個超聲波測距模塊。光具座如圖4所示。用單片機控制的光源、光屏等，并且可以在單片機控制下在導軌上移動，改用0刻度在中央的刻度尺可以方便學生直接讀出像距和物距。

所需器材為[10 cm×20 cm]白色亞克力板，鐵釘，速干記號筆。具體制作步驟為：在光屏上用鐵釘劃出和光源上的方格一模一樣的[1 cm×1 cm]的方格，并用速干記號筆描黑痕跡。本裝置中由于使用了劃格的光源和光屏，比較像和物的大小時，只需查出像和物所占方格數量即可。

五、演示過程

由教師將光具座固定在桌子上，然后將凸透鏡固定在刻度尺中央，再將光源、光屏各滑至凸透鏡兩邊20 cm處。注意調節三者中心在同一高度的直線上，并讓光屏和光源所在的面與光具座的軸線垂直。然后打開開關，接通電源。裝置開機后，輸入所使用的凸透鏡焦距，讓裝置自動校準。LCD屏上顯示“開機校準”，校準完畢后即可使用上下方向鍵，選擇演示實驗內容。

教師可根據實驗需要合理選擇物距和焦距。具體實驗步驟如下：

（1）選擇[u>2 f]

首先用上下方向鍵選擇“[u>2 f] ”，此時單片機控制步進電機，用微波測距儀測量光具座到光源的距離，將光源移動到兩倍焦距之外，然后將光屏先置于光具座最末端，再緩慢向凸透鏡方向移動，當使用者看到清晰的像時，即可點擊OK鍵。此時光屏停止移動，如果成像不夠理想，還可以用左右方向鍵移動光屏（用來微調）。雙擊OK鍵，LCD顯示此時的物距和像距數值。

（2）選擇[u=2 f]

用上下方向鍵選擇“[u>2 f] ”。此時單片機控制步進電機，用微波測距儀測量光具座到光源的距離，將光源置于兩倍焦距處，然后移動光屏置于兩倍焦距處，LCD顯示此時的物距和像距數值。

（3）選擇[f

用上下方向鍵選擇“[f

同理，可以演示[u=f] 和[u

如何讓學生正確理解凸透鏡所成的像是“倒立實像”是實驗的關鍵。我們通過以下三個環節來實現這一目標。

一是點擊按鍵單獨打開紅色二極管單箭頭型光源，引導學生觀察它通過凸透鏡成的是倒立的像，是左右倒立？上下倒立？還是“上下左右同時”倒立？

二是單獨打開綠色二極管單箭頭型光源，重復 上述步驟，強化對“倒立”的理解。

三是同時打開紅綠二極管光源，引導學生觀察光源通過凸透鏡所成的倒立的放大或縮小的實像，再次從“整體”上理解倒立的含義，這時可以清晰地看到“上下、左右同時倒立”的實像。

六、結論

本裝置利用超聲波測距模塊測量物距和像距，在透鏡、成像屏下部加裝電機驅動的移動裝置，并將以上模塊通過單片機進行控制。只要按下相應功能鍵，即可完成凸透鏡成像的實驗演示。這是對傳統凸透鏡成像實驗裝置的有效改進，具有很好的推廣價值。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 熊月.探究凸透鏡成像規律實驗的改進[J].中小學實驗與設備， 2012（5）：31-32.

[2]? 陳平.《凸透鏡成像規律》實驗教學的幾點做法[J].課程教育研究， 2018（52）：147.

[3]? 劉海芳.探究凸透鏡成像規律的實驗改進[J].中學物理教學參考，2018（ 32）：42-43.

（責任編輯 易志毅）