基于單片機(jī)的運(yùn)動軌跡的觀察與分析

基于單片機(jī)的運(yùn)動軌跡的觀察與分析

1普通家庭功能的實(shí)現(xiàn)隨著技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)碼產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入普通人的家庭。例如，相機(jī)和手機(jī)。此外，這些數(shù)碼產(chǎn)品的功能也越來越大。這是在高中物理實(shí)驗(yàn)中使用這些功能的嗎？。1.1平拋運(yùn)動軌跡的測量現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)是家庭的生活必需品了,不但可以拍照還可以攝影,但是一般我們只把它用做拍攝生活照片之用,如果有心還可以用在物理實(shí)驗(yàn)探索上.例如,用數(shù)碼相機(jī)研究平拋運(yùn)動的軌跡.利用數(shù)碼相機(jī)將小球的平拋運(yùn)動過程記錄下來,將得到的錄像通過電腦和投影儀投影到黑板上,在播放器中按幀播放實(shí)驗(yàn)錄像,在黑板上將小球所在的位置標(biāo)記在黑板上,將各點(diǎn)用平滑的曲線連接,就得到小球平拋運(yùn)動的軌跡.由于相鄰兩幀照片之間的時間間隔是相等的,均為1/30s,只要測量相鄰小球位置的水平位移,就很容易判斷小球做平拋運(yùn)動在水平方向上的運(yùn)動特點(diǎn).同時測量相鄰小球位置的豎直位移,也能得到小球在豎直方向的運(yùn)動特點(diǎn),如圖1所示.1.2在手機(jī)中安裝重力傳感器隨著手機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,手機(jī)的功能越來越多,從而需要各種各樣的傳感器作為技術(shù)支撐,其中包括重力、聲音和磁傳感器等.手機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是方便攜帶,在物理教師眼中,手機(jī)就是一個很好的移動物理實(shí)驗(yàn)平臺,可以在具體的情景中隨手做實(shí)驗(yàn).例如,在研究“超重和失重”時.以“huaweip6”手機(jī)為例,在安卓系統(tǒng)下安裝“Tricorder”應(yīng)用軟件.手機(jī)小巧靈活,而且安裝有重力傳感器,能夠?qū)κе睾统噩F(xiàn)象進(jìn)行研究.首先打開手機(jī)中“重力”功能,那么就可以觀測時間和重力的圖線.將手機(jī)從肩部快速舉起,就會得到圖2所示的圖線.在起立過程中手機(jī)先向上加速后向上減速,即先超重后失重,結(jié)合圖線觀察圖線顯示重力傳感器數(shù)值先增大后減小.1.3薄膜干涉實(shí)驗(yàn)在物理演示實(shí)驗(yàn)中有些實(shí)驗(yàn)所能顯示的現(xiàn)象變化比較微小,或者有些實(shí)驗(yàn)只能在特定的視角才能觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.通過攝像頭可以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加清晰地展示在課堂上.例如,在研究肥皂膜的薄膜干涉實(shí)驗(yàn)(圖3所示),在酒精燈的燈芯上撒上一些食鹽,燈焰就能發(fā)出明亮的黃光.把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下,讓它掛上一層薄薄的液膜.把這層液膜當(dāng)成平面鏡,用它來觀察燈焰的像.在這個實(shí)驗(yàn)演示的過程中,通過攝像頭來觀察,將現(xiàn)象投影到大屏幕上可以讓全體學(xué)生觀察到清晰的干涉條紋.通過攝像頭方位的調(diào)整,也可以轉(zhuǎn)換觀察視角,使學(xué)生更容易進(jìn)入情境.2dis實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可能會造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)一般都是靠學(xué)生用眼觀察、用筆記錄、用紙計(jì)算、用表作圖,但是很多時候由于物理過程變化過快、物理現(xiàn)象細(xì)微難辨、數(shù)據(jù)處理繁瑣,這樣在課堂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示既影響了觀察效果,又耽誤了教學(xué)時間,還可能造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差.在使用了DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后,教學(xué)效果大大提高,因?yàn)樗軌蛲ㄟ^圖像、表格等呈現(xiàn)手段將實(shí)驗(yàn)過程“可視化”.例如,在研究彈簧振子振動周期時,由于振子在振動過程中速度比較快,如果學(xué)生僅僅是觀察一下振子的來回振動,意義不大,因?yàn)閷τ谡駝舆^程中的關(guān)鍵物理量無法獲悉,如回復(fù)力、位移、速度的變化.如果能利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),就可以將位移發(fā)射器同一根繩子懸掛起來作為彈簧振子[如圖4(a)],并在它的兩端連接彈簧,在彈簧的兩端連接力學(xué)傳感器,顯示彈力的變化,這樣就可以實(shí)時顯示振子在振動過程中位移和回復(fù)力隨時間的變化關(guān)系圖[如圖4(b)].3半導(dǎo)體制冷片與單一熱源的熱機(jī)實(shí)驗(yàn)新能源,特別是綠色能源能夠符合環(huán)保理念,越來越受到人們的重視,如太陽能、熱能、風(fēng)能等,伴隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,各種新興材料也逐步出現(xiàn)在大眾的視野中.利用這些材料可結(jié)合高中物理教學(xué)的需要就可以開發(fā)一些實(shí)驗(yàn).選修3-3和選修2-2教材都提到了“半導(dǎo)體制冷技術(shù)”的材料.這種半導(dǎo)體制冷材料可以在電子市場中購買得到,將半導(dǎo)體制冷片與兩塊鋁板制作一個實(shí)驗(yàn)裝置(如圖5).例如,在演示溫差熱機(jī)時,可以將實(shí)驗(yàn)裝置的兩塊鋁板分別放入一杯熱水和冷水中,當(dāng)半導(dǎo)體制冷片兩端存在一定的溫差(一般40~80℃)時,半導(dǎo)體制冷片兩端會產(chǎn)生一定的電流,裝置中的風(fēng)扇就會轉(zhuǎn)動起來.這個實(shí)驗(yàn)可以說明熱力學(xué)第二定律的第2種表述“不可能從單一熱源吸收熱量并把它用來全部做功,而不引起其他變化”.我們把這樣的實(shí)驗(yàn)裝置稱為熱機(jī),把兩塊鋁板腳分別插入兩杯水,一杯熱水一杯冷水,片刻后,看到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動起來.說明內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能,隨著時間的推移,電扇的轉(zhuǎn)速逐漸變慢,最后停止轉(zhuǎn)動,此時再用手試水溫,發(fā)現(xiàn)這時冷水變熱了,熱水變冷了,兩者的溫差消失.通過以上實(shí)驗(yàn)可說明只有單一熱源的熱機(jī)是不可能存在的.4實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)對于物理實(shí)驗(yàn),應(yīng)用Flash對實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的動畫模擬使物理過程能夠清晰的展示在學(xué)生面前,但是動畫模擬只是對物理過程的展示,缺少了對實(shí)驗(yàn)探究,在電子電路軟件中有很多虛擬仿真的軟件能夠模擬物理實(shí)驗(yàn)的探究過程,這里以Multisim9為例進(jìn)行介紹.Multisim9電路仿真實(shí)驗(yàn)是一種在高中物理新課程教學(xué)中非常有效的實(shí)驗(yàn)方法,不但操作步驟簡易而且效果也很好.例如,如圖6(a)所示,這是在Multisim9中建立電路以研究自感現(xiàn)象.XSC1是示波器,它顯示小燈泡X2兩端電壓的變化,而R2則是電源的內(nèi)阻.開關(guān)初始時是斷開的,當(dāng)閉合和斷開開關(guān)時,示波器中就會顯示X2兩端的電壓變化,如圖6(b)所示.隨著開關(guān)閉合,X2先變亮后變暗,最后穩(wěn)定在一定的亮度.而隨著開關(guān)斷開,X2突然變亮后又熄滅,而且可以觀察到另一種現(xiàn)象,即開關(guān)斷開電壓反向,這說明開關(guān)斷開,電流流過X2的方向與原來相反.實(shí)驗(yàn)是物理新課程改革的重要環(huán)節(jié),是落實(shí)物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素