智能化凸透鏡成像演示儀的設(shè)計(jì)與制作

劉保慶

[摘 要]文章所說(shuō)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(dòng)滑塊光具座、改良光屏和改良光源等部分組成。各個(gè)模塊之間可以根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行更換和組合，特別適用于中學(xué)物理凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的演示。

[關(guān)鍵詞]凸透鏡成像;演示儀;單片機(jī)

[中圖分類號(hào)]? ? O439? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）29-0057-03

探究凸透鏡成像規(guī)律是中學(xué)生必做的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)不僅可以使學(xué)生了解凸透鏡的成像規(guī)律，而且可以培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)驗(yàn)—分析—?dú)w納”的科學(xué)探究能力，培養(yǎng)學(xué)生形成學(xué)習(xí)的獨(dú)立性、主動(dòng)性。探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)主要集中在以下三點(diǎn)：一是實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)習(xí)的新內(nèi)容比較多;二是記錄的數(shù)據(jù)很難精確描述;三是實(shí)驗(yàn)光源難以準(zhǔn)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(huán)境影響，要找到清晰、穩(wěn)定的像較難。文獻(xiàn)[1]-[3]用燈泡或LED制成“F”字形的光源替代蠟燭， 這對(duì)理解實(shí)驗(yàn)有一定的幫助，但效果有限。

本文對(duì)傳統(tǒng)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，制作了一個(gè)演示裝置，以幫助學(xué)生克服理解上的困難，使學(xué)生在有限的課堂時(shí)間內(nèi)正確理解和把握凸透鏡成像的實(shí)質(zhì)。

一、總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案

凸透鏡成像演示裝置的主要設(shè)計(jì)思路是：（1）利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量物距和相距;（2）在透鏡、成像屏下部加裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)裝置;（3）對(duì)光屏和光源進(jìn)行改進(jìn)，消除光源不穩(wěn)定，光屏成像不清晰的缺點(diǎn)。以上模塊均通過(guò)單片機(jī)控制，只要按下一個(gè)按鍵即可自動(dòng)完成凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行更換和組合，在功能選擇鍵盤(pán)上可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象不同選擇不同的模塊組合，并且根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)要求選擇不同的自動(dòng)化程度。當(dāng)重新選擇功能或在演示過(guò)程中出現(xiàn)死機(jī)時(shí)，可以按復(fù)位鍵還原。電源采用穩(wěn)壓后的5 V電源對(duì)單片機(jī)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(dòng)距離等測(cè)量數(shù)據(jù)，按下處理按鍵可對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性處理。

單片機(jī)采用STC89C52作為控制芯片。它是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，支持在線下載程序。采用MG996R步進(jìn)電機(jī)作為控制凸透鏡移動(dòng)的動(dòng)力源。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC芯片判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)芯片送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)要求轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。采用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量物距與像距。超聲波發(fā)生器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)兩極外加脈沖信號(hào)的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。使用1602液晶屏制作顯示模塊。它能同時(shí)顯示32個(gè)字符，是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。

二、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由STC89C52控制電路、電源電路、LCD顯示器、功能選擇按鍵、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路組成。按鍵模塊承擔(dān)選擇功能，電源電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)的供電，STC89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)控制信號(hào)的輸出，步進(jìn)電機(jī)和光源負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)效果的完成。具體流程見(jiàn)圖1。

最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、震蕩電路、上拉電阻和一片STC89S52單片機(jī)組成。最小系統(tǒng)的復(fù)位電路既有電復(fù)位，也有手動(dòng)復(fù)位，方便操作和調(diào)試。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。調(diào)試本程序需用KEIL C51和51開(kāi)發(fā)板及其配套的STC下載登錄軟件。

三、創(chuàng)新點(diǎn)及難點(diǎn)

本裝置主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于：（1）針對(duì)蠟燭光源容易受熱變形、跳動(dòng)不穩(wěn)定、成像不夠清晰、易產(chǎn)生黑煙等缺點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)改為用紅、綠發(fā)光二極管制作“”形狀光源，并用獨(dú)立的開(kāi)關(guān)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(diǎn)，且光源穩(wěn)定可靠，可以重復(fù)使用。（2）光屏成像后靠目測(cè)來(lái)檢驗(yàn)像的大小不準(zhǔn)確，在光屏上和光源上標(biāo)上等間距線，在光屏和光源上形成大小相當(dāng)?shù)木匦危捎脭?shù)格子的方法，便可以簡(jiǎn)單比較大小。（3）利用超聲波測(cè)距模塊，測(cè)量物距和像距，在透鏡、成像屏的下部加裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)裝置。

主要技術(shù)難點(diǎn)在于：（1）各個(gè)裝置單獨(dú)操作容易，但要將它們按照模塊化組裝，并且在單片機(jī)控制下完成一套完整嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)，不但制作嚴(yán)格而且需要控制精確。（2）傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)速度快，但對(duì)環(huán)境有著更苛刻的要求，如何調(diào)整并且補(bǔ)償由于環(huán)境改變導(dǎo)致的誤差就顯得很重要。

四、制作過(guò)程

1.制作“

實(shí)驗(yàn)所需要的器材為：[5 cm×10 cm]白色亞克力白板，發(fā)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(hào)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(hào)筆描黑。如圖3所示，將發(fā)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(lián)，通過(guò)一個(gè)繼電器供電，由一個(gè)單片機(jī)IO口獨(dú)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，又可以從整體上讓學(xué)生理解凸透鏡成的像是倒立實(shí)像。

2.光具座的改裝

光具座改裝所需器材為：傳統(tǒng)光具座實(shí)驗(yàn)裝置一套，步進(jìn)電機(jī)（2個(gè)），鋼尺（精度1 mm，規(guī)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(tǒng)光具座由鋁合金導(dǎo)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(jìn)電機(jī)，并固定，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候基座要能夠無(wú)阻礙的隨電機(jī)移動(dòng)，這樣光源和光屏就可以受單片機(jī)控制了。由于STC89S52單片機(jī)只有32位IO口，為避免控制接口不夠用，可以用步進(jìn)電機(jī)控制芯片，這樣只需使用4位IO口就可以控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)。最后在光具座兩端各固定一個(gè)超聲波測(cè)距模塊。光具座如圖4所示。用單片機(jī)控制的光源、光屏等，并且可以在單片機(jī)控制下在導(dǎo)軌上移動(dòng)，改用0刻度在中央的刻度尺可以方便學(xué)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(hào)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(hào)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(shí)，只需查出像和物所占方格數(shù)量即可。

五、演示過(guò)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(diào)節(jié)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(kāi)開(kāi)關(guān)，接通電源。裝置開(kāi)機(jī)后，輸入所使用的凸透鏡焦距，讓裝置自動(dòng)校準(zhǔn)。LCD屏上顯示“開(kāi)機(jī)校準(zhǔn)”，校準(zhǔn)完畢后即可使用上下方向鍵，選擇演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要合理選擇物距和焦距。具體實(shí)驗(yàn)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(shí)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，用微波測(cè)距儀測(cè)量光具座到光源的距離，將光源移動(dòng)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(dòng)，當(dāng)使用者看到清晰的像時(shí)，即可點(diǎn)擊OK鍵。此時(shí)光屏停止移動(dòng)，如果成像不夠理想，還可以用左右方向鍵移動(dòng)光屏（用來(lái)微調(diào)）。雙擊OK鍵，LCD顯示此時(shí)的物距和像距數(shù)值。

（2）選擇[u=2 f]

用上下方向鍵選擇“[u>2 f] ”。此時(shí)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，用微波測(cè)距儀測(cè)量光具座到光源的距離，將光源置于兩倍焦距處，然后移動(dòng)光屏置于兩倍焦距處，LCD顯示此時(shí)的物距和像距數(shù)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(xué)生正確理解凸透鏡所成的像是“倒立實(shí)像”是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。我們通過(guò)以下三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

一是點(diǎn)擊按鍵單獨(dú)打開(kāi)紅色二極管單箭頭型光源，引導(dǎo)學(xué)生觀察它通過(guò)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(shí)”倒立？

二是單獨(dú)打開(kāi)綠色二極管單箭頭型光源，重復(fù) 上述步驟，強(qiáng)化對(duì)“倒立”的理解。

三是同時(shí)打開(kāi)紅綠二極管光源，引導(dǎo)學(xué)生觀察光源通過(guò)凸透鏡所成的倒立的放大或縮小的實(shí)像，再次從“整體”上理解倒立的含義，這時(shí)可以清晰地看到“上下、左右同時(shí)倒立”的實(shí)像。

六、結(jié)論

本裝置利用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量物距和像距，在透鏡、成像屏下部加裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)裝置，并將以上模塊通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行控制。只要按下相應(yīng)功能鍵，即可完成凸透鏡成像的實(shí)驗(yàn)演示。這是對(duì)傳統(tǒng)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)裝置的有效改進(jìn)，具有很好的推廣價(jià)值。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 熊月.探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與設(shè)備， 2012（5）：31-32.

[2]? 陳平.《凸透鏡成像規(guī)律》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)做法[J].課程教育研究， 2018（52）：147.

[3]? 劉海芳.探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（ 32）：42-43.

（責(zé)任編輯 易志毅）