横波、纵波“变换”演示器
摘要：
横波、纵波是高中物理“机械波”中的重要概念。在传统教学中，主要由三种方法加深学生认识：1.静态的示意图；2.虚拟仿真课件动态演示；3.教具。教具有实物教具：绳子演示横波，弹簧演示纵波。还有一种机械摇杆教具，横波、纵波各有一套。但传统辅助教学手段主要有三个缺陷：1.示意图和实物教具不能很好地观察“质点”运动的状态，需要学生依靠抽象想象；2.虚拟仿真课件和机械摇杆教具能比较好地观察到每个“质点”运动的状态和波的能量传递的方向的关系，但把横波、纵波完全分隔开进行讨论，没能进一步演示二者的异同关系；3.纵波的机械摇杆教具由于机械结构本身的缘故，使得“质点”的运动，有凸凹起伏，没有在一个平面上，对学生有一定的误导。本教具使用Arduino单片机、舵机、激光头、VEX IQ机器人控制器、齿轮、马达、3D打印零件，结合C语言编程，做到了五个主要创新点：1.能通过一次“正交变换”运动，让横波、纵波相互转换，反映其辩证关系；2.以激光作为质点，并能控制质点间的相位差关系；3.对应横波的一系列试题，产生动态演示的效果；4.实体教具与虚拟课件，可同步展示；5.可对教具进行精确校准、控制参数和进一步设计实验。
关键字：机械波、VEX IQ、Arduino、舵机、激光、3D打印
内部机械结构图
增加激光切割木板 效果图
项目背景：
横波、纵波是高中物理“机械波”中的重要概念，并且是学生今后学习“电磁波”的重要参考依据。但与横波、纵波相关的物理教具长时间没有得到新的发展、推陈出新。本项目作品的主要灵感来源于观察和思考机械波的两个摇杆教具。这种教具横波、纵波各有一套，设计精巧，结构简单、易用。但是如果想把横波、纵波做在一个教具上，在机械上却不是简单的“叠加”、“拼接”就能实现的。当想到用齿轮和舵机来完成这一机械上很难做到的“合成”的方法后，很快就开始陷入了关于横波、纵波相互辩证关系的深入思考，并感受到这种“转换”，即是一次简单的“正交变换”运动。但同时也是教科书和教具中的一个盲点。想到此，兴奋万分，有了理论上的依据和具体目标，但具体实践上还需要克服很多问题，比如如何固定舵机、激光头；如何做到精确、同步的旋转；如何通过软件或硬件对舵机和激光头进行“校准”；通过何种驱动芯片能精确控制、电力拖动那么多舵机等一大堆技术问题、难点，亟待一个个解决。
科学原理：
横波的三角函数公式，及一些推演公式
科学、技术方法：
1.Arduino单片机、舵机控制板、激光头的电路搭建及C语言编程
2.VEX IQ机器人控制器、齿轮、马达
3.Autodesk Inventor CAD软件设计特殊零件，并进行3D打印
4.Autodesk AutoCAD进行平面设计，并激光切割教具的外拼、内拼木板、电路固定木板
五个主要创新点：
1.能通过一次“正交变换”运动，让横波、纵波相互转换，反映其辩证关系；
2.以激光作为质点，并能控制质点间的相位差关系；
3.对应横波的一系列试题，产生动态演示的效果；
4.实体教具与虚拟课件，可同步展示；
5.可对教具进行精确校准、控制参数和进一步设计实验。
使用情况：
1.本教具提供给一线物理教师进行使用，得到良好的反馈；
2.打算进一步在区内的科技教师教研组内进行展示和交流。
进一步完善的设想：
1.减小体积和重量；
2.模块化、可任意增加质点数量；
3.基于Wi-Fi，通过手机或电脑上的HTML5网页对教具进行参数设置和控制。
参考文献：
[1]米歇尔·麦克罗伯茨 (Michael McRoberts), 杨继志、郭敬 译,《Arduino从基础到实践》,2013年3月
[2]杰克·普德姆 (Jack Purdum), 麦秆创智 译, 《Arduino C语言编程实战》,2013年10月
[3]www.vexrobotics.com/vexiq/
