教学演示用多功能仪

现有初高中的物理实验室关于声、光、热、力、电的物理量的测量工具很多,作为演示用存在如下的问题：

伞可见度小.例如,演示用的指针式万用表、演示用的液柱式温度计,虽然做得很大,但是距离仪器十多米以外的学生很难看清读数.

伞很多测量工具分辨率低,如：电学万用表、力学测力计在一个量程之內,只能刻几十个格,分度值大,精度差.

伞现在电子市场上的一些数显高精度的测量工具若直接拿过来用,存在如下问题：数显的尺寸小,不能满足在大教室里清晰读数的需要；数控数显仪器专用性强、售价高,物理实验室需几十种测量工具,成本难以承受；现有仪器的结构、规格和演示实验的要求难以对号.

伞新教材的思想更重视探究性的实验,常用“控制变量”的实验方法,使一些物理量保持不变,另一些物理量改变.但用现有器材很难做到精确控制,能应用在教学上的数控教具很少.

综上所述,需研发具有如下功能的一件教学演示用的多功能仪器：能够测量声、光、热、力、电诸多的物理量；可见度大,能够在几十米范围內看得清读数的需要；测量精度高；造价低；能够通过数控的方法控制诸多的物理量.经过几年的研究制作,本项目很理想地解决了上述问题.

实物外形见图1.此多功能仪由数码管、键盘、功能标志卡(如恒压源)和单位标志卡(如V)、附件等组成.功能标志卡、单位标志卡、附件可以随功能更换,用小磁体把铁片标志卡吸在仪器的外壳上.

工作原理见图2.数字显示部分采用大屏LED数码管,采用单片机80C51进行数据处理和对数码管的显示驱动,由ICL7135进行高精度A/D转换,设计了3个接口,K1是模拟信号输入接口,K2是数据输入的串行接口,K3是数控输出的串行接口.通过3个接口连接附件、传感器等完成各项功能.

如进行电压、电流、电阻等物理量的测量时,这些模拟信号是通过K1口接入的,由ICL7135进行A/D转换,5位10进制显示.

频率的测量采用1秒內计数的方法,由石英晶体产生1秒信号,精度极高.通过分频芯片分频后通过K2口接入.

信号发生器采用频率合成技术,基频由石英晶体产生,精度高.分频比由K3口输出给附件.

此教具的功能可以进一步开发,因为各种传感器大多都是和单片机接口,如大气压的测量、液体內部压强的测量、有毒气体含量的测量等.此教具更是电子制作的好助手.

由于此教具的精度高,所以,原来很难做的实验可用它轻松演示.如音频共振实验一般要用共振音叉,但由于响度小,效果不明显,而使用此教具就能轻松演示.先测得音叉频率,再用此教具发出和音叉频率一样的信号,带动扬声器,音叉马上共振,并能探究信号频率改变多少,音叉就不会共振；1/2频率和2倍频率能否共振,改变响度和波形对共振的影响等.实验证明频率差

2赫兹就不能共振,所以原来的实验很难成功.

此教具的数控功能专为探究性教学而设计,演示效果特别奸,如数控变频恒压源用来探究电阻、电容、电感的阻抗特性,及他们串并联的阻抗特性,由于频率可精密成倍变化控制,结论特别准确.

原来演示气体体积的改变引起內能改变的实验时,用压缩空气点火仪来说明压缩空气內能增加,但成功率低,采用此教具的测温功能演示此间题效果特别好.

自行设计电子电路和单片机软件开发,使该仪器功能强大,通用性强,在物理声、光、热、力、电教学中都能得到应用.精心设计该仪器的尺寸、造型,满足演示教学的需要,可在20米范围內清晰读数.采用更换附件和功能显示卡的方法,使多功能仪以专用仪显示给学生,利于学生的学习和理解.

该项目获得第26届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖.

该作品是多种技术集成创新的一种体现.它提高了演示实验的可见度,所做实验效果明显,同时也提高了实验测量的精度,一物多用,节约资源,既符合利用数字技术提升传统实验的技术发展趋势,也符合节能减排、和谐发展的需要.