高中物理圆周运动教学演示仪的制作

郎文秀，齐维毅，蔡 敏，张亚琴

（1.沈阳师范大学 物理科学与技术学院，沈阳 110034；2.沈阳师范大学 实验教学中心，沈阳 110034）

0 引 言

高中物理人教版必修二第五章曲线运动讲解了圆周运动［1］，物理教学中圆周运动的教学内容蕴含着许多物理研究方法。然而，现在中学物理教学中由于没有恰当的教学仪器，多采用多媒体演示、教师板书、简单演示实验等方法进行教学，都难以达到理想的教学效果，学生不能充分理解圆周运动知识，并且由于实验误差较大且不易操作，也使学生对知识点的认识造成了偏差。教师应该尽可能地用实物，现场演示增强学生对事物的感性认识。在形成物理概念的最初阶段，如果先对具体事物进行观察和接触使之形成感性认识，再由感性认识提升为抽象、概括的理性认识，是一种良好的教学方法［2］。目前，国内基础教育倡导有利于学生创新能力的探究性教学法［3］。本文依据圆周运动探究性教学设计，充分挖掘探究性元素，使其在教学中，教师可依据学生的实际水平及教学要求，既可进行定性探究教学，又可进行定量探究教学。演示仪制作结合现代电子技术和控制技术，力求精度高、实用性强。总之，结合探究性教学设计制作与之相适应的教具是一项有意义的工作。

1 系统结构设计

圆周运动演示仪功能结构如图1所示。其中，电源模块为单片机提供5V工作电压，时钟电路产生单片机工作时所需时钟控制信号，PC机与单片机通过串行通信实现电平转换，把PC端源程序下载到单片机；单片机通过键盘控制实现数码管的显示和电机的转动。

2 设计原理

圆周运动教学演示仪的设计包括单片机最小系统模块、电机驱动模块、数码管显示模块、按键控制模块、电机传动模块、电源模块、串行通信模块。编程和编译均在Keil C51集成环境中完成。

2.1 单片机最小系统模块

圆周运动教学演示仪的核心控制系统采用的是STC12C5A60S2单片机，因为其本身I／O口带有PWM功能控制器，通过编程设置PWM 的占空比，可以控制电机转速［4，6］。

2.2 电机驱动模块

电机驱动模块如图2所示。从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其他外在负载时也无法带动电机。所以，在实际电路中加入了电机驱动芯片L298N以提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动［7］。一块L298N芯片能够驱动2个电机转动，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不足的问题。

图1 圆周运动教学演示仪功能结构图

图2 电机驱动模块

2.3 数码管显示模块

演示仪中需要显示出测试时间，采用LG8041BH数码管显示测试的实时时间，4位数码管采用动态扫描方式显示时间，并通过74LS245增强单片机I／O口的驱动能力，提高显示效果。

2.4 按键控制模块

演示仪采用外部控制方式，设计采用6个无锁按键和1个有锁按键。1个有锁按键控制电源，其中3个无锁按键控制电机旋转的高中低速度，另3个无锁按键实现开始、停止和数码管清零功能。

2.5 电机传动模块

在圆周运动教学演示仪中采用是Cannon低速直流电机驱动指针运动装置。

2.6 电源模块

演示仪电源模块采用外接220V交流电源方式，通过变压器把电压降至9V，再通过7805稳压器转换为单片机控制系统和各功能模块所需的工作电压。

2.7 串行通信模块

串行通信模块如图3所示。模块采用MAX232芯片实现PC机与单片机串行通讯的时RS－232电平与TTL电平的转换［13］，通过DB9传输线，把PC端的源程序下载到单片机端（图1虚框中的部分）。

图3 串行通信模块

3 实验过程

3.1 实验装置

圆周运动教学演示仪控制面板模型如图4所示。演示仪接通外部电源，打开开关后电源指示灯点亮，有3个按键可实现电机高、中、低3档速度选择和控制，数码管显示实时测试时间，通过指针起始位置和圆盘可测量出转动的弧长和弧度，并有3个按键开关可用来对数码管上的时间进行开始、停止和清零操作。

3.2 实验目的

2）自主探究线速度、角速度与圆周运动半径3者之间的关系（v＝wr）。

3.3 演示仪的操作步骤

1）按动“电源”开关，接通圆周运动教学演示仪工作电源；

2）根据演示需要，按动“高速”、“中速”、“低速”按键；

3）按动“开始”按键；

4）根据演示需要，适时按动“停止”按键；

5）测量并记录指针转动的周长与数码管显示的时间；

6）演示结束后，选择“清零”按键并关闭电源。

图4 演示仪控制面板

4 结 语

利用本教学演示仪学习圆周运动可以加深学生对线速度、角速度等物理知识的理解和记忆。通过探究式教学的设计及其突出物理思想的教具制作，提高学生的创新思维和实践能力，提高教学技能。把现代电子信息技术与教具制作相结合，充分达到STS教学的要求，有利于实现教学手段的现代化、智能化，有助于增强学生学习的主动性。仪器操作简单安全、便于观察，实验结果清晰明了，既适用于30～50人班型教师做教学演示，也适用于学生小组合作定量探究学习。本圆周运动教学演示仪成本较低，既适于城市中学也适于农村中学，利于普及。

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