用光電鼠標做傳感器顯示振動圖像

霍金勝

（天水市第二中學(xué)，甘肅 天水741020）

1 引 言

中學(xué)物理研究簡諧振動的方法是頻閃相機照相法和沙擺顯示運動軌跡法.頻閃相機照相法比較精確，但實驗儀器裝置成本高，實驗過程復(fù)雜費時，不適合課堂實驗.沙擺顯示運動軌跡法所用儀器簡單、成本很低、直觀性強，學(xué)生容易理解，但實驗不精確，實驗結(jié)果是在木板上由沙子形成的痕跡，不方便學(xué)生觀察與分析.

2 光電鼠標原理

在光電鼠標內(nèi)部有發(fā)光二極管，通過該發(fā)光二極管發(fā)出的光線，照亮光電鼠標底部表面，然后將光電鼠標底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過1組光學(xué)透鏡，傳輸?shù)焦飧袘?yīng)器件內(nèi)成像.當(dāng)光電鼠標移動時，其移動軌跡便會被記錄為1組高速拍攝的連貫圖像.最后利用光電鼠標內(nèi)部的專用圖像分析芯片對移動軌跡上攝取的一系列圖像進行分析處理，通過對這些圖像上特征點位置的變化進行分析，來判斷鼠標的移動方向和移動距離，從而完成光標的定位.

光電鼠標定位精度是用dpi表示，即每移動1英寸所能檢測出的點數(shù)，一般光電鼠標定位精度能達到400～800dpi.換算成以cm為單位為160～320點／cm.這樣的精度完全能滿足中學(xué)物理對振動圖像的顯示要求.

光電鼠標定位精度比較高，定位時鼠標不與物體發(fā)生直接接觸，摩擦阻力小，可以把物體運動的圖像轉(zhuǎn)化為電腦屏幕上鼠標光標的運動.因此用光電鼠標做傳感器顯示物體的運動圖像是合理可行的.

3 硬件的制作

1）鼠標的選擇與安裝

市場出售的鼠標，性能差距較大，選購時，要使鼠標離開鼠標墊，觀察鼠標墊與鼠標距離多遠時仍能使用.這個距離越大效果越好，能達到5mm即可滿足要求.把鼠標底面凸出部分磨平，這樣效果會更好.

將鼠標用物理實驗室桌面固定夾固定，并固定在支架上，使鼠標底面豎直向外.

2）單擺制作

單擺的擺線如果用細線，擺動時方向容易變化，使用薄金屬片做擺線，擺動時方向不容易變化.找一段長度80cm，寬約1cm的金屬薄板做單擺的擺線.將金屬片上端折一弧形彎鉤做掛鉤，下端固定重物做擺球.

3）反光板制作

將長約8cm、寬約2cm的金屬片折成“T字”形狀，從光電鼠標墊剪取相應(yīng)大小1片粘在金屬片上制成反光板，反光板用夾子固定在擺線上.

4）支架

用長約1m物理支架，最上端固定薄金屬片掛單擺擺線.在離擺線上方約1／3處將反光板用夾子固定在擺線上.在反光板相應(yīng)位置將鼠標用固定夾子固定在支架上，調(diào)節(jié)反光板與支架的距離大約2mm.

簡諧振動的實驗裝置如圖1所示.

圖1 簡諧振動實驗裝置

4 軟件編程

使用Flash MX 2004動畫編程，具體的過程如下：

打開軟件，新建Flash文檔，文檔背影色設(shè)置為淡藍色.幀頻設(shè)置為50Hz..

在圖層1上畫小球，并轉(zhuǎn)換元件為影片剪輯，命名為小球，影片實例名為xq，再新建1個圖層，添加3個關(guān)鍵幀：

5 實驗操作過程

安裝好鼠標，掛上單擺，調(diào)節(jié)鼠標底面與反光板之間距離，要使單擺運動時，相距很近但不能接觸，距離調(diào)節(jié)到2mm為宜.

將無線光電鼠標接收頭插到電腦USB接口上，打開鼠標上電源開關(guān).打開程序，并最大化，用電腦上配置鼠標移動鼠標光標，使其在屏幕中間位置.

讓單擺輕輕擺動，擺動振幅4cm左右為宜.調(diào)節(jié)使反光片與鼠標底面相近而又不接觸.

單擺振動后，按回車鍵，電腦屏幕上鼠標光標隨單擺的振動而移動，同時在屏幕上復(fù)制小球，這些小球組合起來形成了單擺振動的圖像.

實驗中如果鼠標光標移動距離過大，可通過控制面板調(diào)節(jié).打開電腦控制面板，打開鼠標，再打開指針選項，有指針移動速度選項，可以從慢到快調(diào)節(jié).反復(fù)實驗，可調(diào)節(jié)鼠標指針在電腦屏幕上的移動幅度達到電腦屏幕界面一半左右為宜.

6 實驗效果分析

本實驗顯示的圖像不是連續(xù)的曲線，而是由許多的點組成的圖像.相鄰2個點之間的時間間隔是0.02s，根據(jù)相鄰2個點之間距離大小，就可以知道每個位置的擺球運動的速度大小，還可以通過不同位置速度大小變化對比，判斷出小球是加速運動還是減速運動.

通過反復(fù)實驗，光電鼠標顯示振動圖像方法，有如下優(yōu)點：

1）實驗器材簡單，該實驗只要1個無線光電鼠標，其他的器材用中學(xué)物理實驗室現(xiàn)有器材即能完成實驗.

2）實驗操作簡單方便，一般人員只要觀察1次即能順利的操作實驗.

3）便于學(xué)生分析觀察.該實驗圖像在電腦屏幕上顯示，有白板的教室可在白板上顯示，十分方便教師的教與學(xué)生的學(xué).

4）便于學(xué)生分析.該實驗顯示的圖像不是1條曲線，而是由許多點組成的圖像，學(xué)生可以通過這些點，觀察振子各個位置的速度大小，還能判斷出各個位置加速度的方向，學(xué)生學(xué)習(xí)效果好.

［1］儲琪，田玉龍，蔣達婭.利用光電鼠標實現(xiàn)玻爾共振儀混沌現(xiàn)象的數(shù)據(jù)采集［J］.物理實驗，2006，26（10）：46-48.