一種可用於振動影象演示的運動感測器的設計與製作

（原載：《物理通報》2000年第十二期）

機械振動和機械波是中學物理的教學難點，做好有關的演示實驗對於突破這一難點至關重要。然而這部分的演示實驗大都不好做，用學校現存的儀器裝置演示有時難於達到滿意的效果。現行高中物理課本中，簡諧振動影象是用一沙擺裝置來演示的。由於這種演示裝置的方法可靠性不高，長期以來，人們不斷的對此進行研究探討，設計出了不少新的演示裝置以改進演示效果。教育部教學儀器所研製的微機輔助物理實驗系統中採用如圖1所示電位感測器，其基本的原理是正負直流電極板在水槽中形成一個均勻的點場，當擺球做平行於點場線的簡諧振動時，與擺球下部相連的擺針就可檢測到不同時刻與擺球位置相對應的電位，將此電訊號經介面箱及計算機處理後，在螢幕上顯示出單擺振動的影象。筆者參考圖1設計製作出新的實驗演示裝置。

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1、實驗原理

實驗裝置如圖2所示，它與圖1演示裝置不同的是擺球位置感測部分，採用了光電感測技術，其核心是光源、擋光片及矽光電池。矽光電池是一種把光能轉換成電訊號的半導體光電器件，一般在光強一定的情況下，其輸出電壓與受光面積成正比。於是設計讓一面光源發出發出一束均勻的光線照向矽光電池，矽光電池與電源之間設定一擋光片，擋光片與擺球連動。當擺球擺動時，帶動擋光片在光源與矽光電池之間來回擺動，矽光電池的受光面積也相應的發生變化，結果矽光電池跟隨擺球的擺動輸出不同的電壓。

電路原理圖如圖3所示。＋5V直流電經限流電阻R1後跟LED1－LED4供電，保證4個發光二極體發出均勻的光線，R1不可取得過小，以免電流過大燒壞LED1－LED4。兩光電池的連線點接在零電位即地線上，這樣上光電池對地輸出正壓，下光電池對地輸出變電電壓，將這電訊號送往介面箱處理並送到計算機處理分析，最終在計算機上顯示出單擺的簡諧振動影象，頻率、週期及擺幅等引數就可得到。

2、製作方法

整個裝置如圖4所示。為了保證輸出的電訊號與時間滿足正弦或餘弦關係，組成電位感測器的擋光片與矽光電池受光面積的結構是經過合理設計後確定的。光電池的受光面設計成扇形的一部分，且上、下兩圓弧的圓心與轉輪圓心（即懸掛點）同心。擋光片的兩條邊的延長線也要通過上述圓心。當擺球做簡諧振動時保證受光面積的減少量或增加量與時間滿足正弦或餘弦關係，從而使輸出電壓變化的波形是正弦或餘弦影象。

為了保證擺球擺動時擋光片只在豎直方向的平面內擺動，避免與光源或矽光電池表面發生摩擦。因此選用一個鬧鐘裡的擺輪作擺球的懸掛點，擺輪兩頭為針狀，可由兩螺釘的凹口卡住，減小擺動時的摩擦。擋光片要能擋住紅光且本身有足夠的硬度，不會發生形變，這裡選用廢棄的電話卡剪成所需的形狀，效果非常好。發光二極體選用表面為方形，高亮度的，這樣保證發光面均勻、輸出幅度足夠高的電訊號。

為了不使自然光對整個光電感測器帶來不必要的影響，用雙面敷銅板左成一個光遮蔽盒，將光電感測器部分置於其中，通過頂部的三顆螺釘調節水平及垂直，水平時輸出電壓為零，垂直時為擺線與刻度盤的中心線齊平，擺球擺動時不發生明顯的摩擦，保證擺球在中心位置時輸出的電壓基本上為零，使演示效果更佳。

3、使用方法及注意事項

3.1每次實驗仔細調節好水平及垂直後方可著手做實驗

3.2試驗中不可用手猛拉擺球或擺線，或用重物代替擺球，以免擺輪兩針頭發生形變，造成永久性損壞。

3.3與介面箱連線的三根導線不能接錯，原訊號線如圖5所示，與光電感測器連線的導線如圖6所示，只要把＋5V電壓、地線及訊號線相互連線好即可，原介面箱輸出的－5V電壓這裡不用。

3.4擺球擺動的擺角不可大於50，否則會給實驗的演示效果帶來影響。

3.5注意按原實驗要求開啟介面箱及計算機的電源開關，開始實驗。

該實驗裝置從理論分析、設計及製作都達到了設計要求，經過實驗的操作演示，取得了令人滿意的效果。