物理演示实验用的大型数码显示器

教学大纲规定，中学物理大约有70多个课堂演示实验，需要定量地显示实验数据。为此，我们制作了大型数码显示器，以配合这些实验作显示用。大型数码显示的优点是：实验结果显示明显，学生们都能看得见；数码显示没有视差，大家读数一样；不仅可以用来显示实验结果，也可以用来显示实验中的数据变化，便于学生全面地了解整个实验。

我们先介绍数码显示部分，然后再结合数码测力计和数码电流计两个实验例子来说明数码显示器的应用。

数码显示的方法很多，这里介绍的是用小灯泡代替数码管显示的电路。我们用21只6伏小灯泡，按图1所示的排列分成abcdefgh八段。根据各数码的笔划长短不同，有的段上有一个灯泡，有的有2个、3个或4个灯泡。各段上的小灯泡都是非联相接的。从图中可以看出，点亮其中某几段上的小灯泡，就可以显示从0到9十个数码。例如将c、g两段上的小灯泡点亮，显示的就是数码“1”。每个数码所对应的灯泡段数见下表。

灯泡的控制电路见图2。8只可控硅分别与8段对应的小灯泡串联，可控硅的控制极分别接到相应的二极管译码电路。当0～9端没有触发信号加入时，各段灯泡都不亮；当某个端有触发信号加入时，其相应的译码电路工作，触发对应的可控硅，某几段灯泡亮，显示数码。如，当“1”端输入触发信号时，1～1线与c～c线和g～g线上的两只二极管正向导通，分别将可控硅SCR\(_{3}\)、SCR7触发，使得c段和g段上的小灯泡亮，显示出数码“1”。

制作时，译码电路部分最好用双面敷铜板，敷铜板的一面腐蚀出1～1、2～2等10条铜箔线；敷铜板的另一面腐蚀出a～a、b～b等8条铜箔线。然后按二极管排列位置打上孔，装上二极管。21个小灯泡都固定在五合板上，可以用灯座固定，也可以在板上打孔把小灯泡嵌进去。可控硅也放在五合板上，可控硅与小灯泡之间用导线连好。这部分的安装见图3。小灯泡上面加一个薄木盖板，盖板上对应各灯泡的地方挖一个长方形的孔，各长方形孔的边必须沿着各字码的笔划顺向对齐为好。最后在盖板上加上一厘米左右厚的毛玻璃或半透明的纸，利用灯光的“散光”，可增强字码的连续感。整个显示部分装在一个木盒里，0～9端的引出线接在一个多孔插座上，插座也安在显示器的木盒上，通过插头和连线与演示设备连接，这样显示部分用起来很方便。

在普通的弹簧秤上加上活动电极与固定电极，并且用数码显示，就组成了数码显示测力计，见图4。图中固定电极用一块敷铜板制作，板上铜箔条的宽度和各条之间的距离是根据弹簧秤0～100克刻度间的长度确定的。若0～100克之间的长度L为60毫米，而数码显示最多能显示10个字码，则铜箔条和铜箔条之间的距离应为L/2n=60/2×10=3毫米。固定电极板用环氧树脂或502胶粘在弹簧秤面板上。粘时，应让0克刻度对准第一条铜箔的中心线。活动电极用弹性较好的磷铜片作的，宽度等于或稍稍小于3毫米。活动电极固定或粘在弹簧秤的指针上。活动电极的右端与固定电极接触，左端与弹簧秤的金属面板接触，弹簧秤的金属面板与电源正极接通。固定电极的铜箔条上焊上引线，引线接到多接点插头上。

由于这种测力计是由两个电极接触来进行触发的，所以安装时应注意即要保持触点接触良好，又要尽量减小摩擦。一般认为，如果去掉弹簧称上所称的重物时，活动电极能自动恢复到0（实际上对100量程的弹簧秤来论，恢复到5克以下就行了），触点间的摩擦情况为适中。使用时，可以用砂纸把电极擦一下，以保证接触良好。

演示时，将插头插入数码显示器的插座上，接通电源。将所称重物挂在弹簧秤的钩上，这时活动电极下移，数码显示从0变化，当停在“5”字码上时，说明所侧重物为50克（实际上可能为45～50克之间）。

数码显示电流计是由多个触发电路、一个电流计和显示部分组成的。

触发电路见图5，这是一个由光电池和三极管组成的光电开关电路。当光电池不受光照时，其内阻很大，三极管因无正常的偏流而截止。电源电流通过R后绝大部分进入显示电路，使表示电流的数码显示出来。当有光照时，光电池产生的光电流作为晶体管的基极电流，使管子进入导通饱和，它的集电极与发射极之间的电压只有零点几伏，远小于可控硅所需的触发电压，电源电流绝大部分流过三极管而不进入显示电路，可控硅自动阻断。这部分电路主要注意选管和选取光电池，使管子能在有光照和无光照情况下准确地呈现饱和和截止状态。

电流计是用教学演示用的电流计改装的。指针部分的改动如图6所示。弧形胶木板上粘有光电池，指针的背面粘有遮光片，指针的下面有小灯泡，各触发电路的元器件也安装在电流计壳里。当电流计输入端有被测电流输入时，指针摆动，摆动到某位置时，由于遮光片的遮挡，胶木板这个位置上粘的光电池不受小灯泡的光照，这时该光电池所对应的晶体三极管BG截止，有电流进入显示电路，显示出数码。因胶木板上间隔均匀地粘有许多光电池，所以，电流计输入不同的待测电流时，表针就偏转到不同的位置，通过触发器，显示屏上有不同的数码显示，表示电流大小。图中胶木板大小由电流计尺寸决定。我们用的电流计最大偏转角为π／3（60°），而弧形胶木板的半径应根据马蹄形磁铁的尺寸来选取，尽可能选大一些，若磁铁尺寸太小，胶木板也可以放在其它位置。我们取胶木板弧度半径R\(_{0}\)为60mm，这样就可以求出胶木板孤长S=60×π／3=62.8mm。制作时，用厚度约为0.5～1mm的薄胶木剪成长为62.8mm、宽为20mm（能容下光电池和两个铆钉就行了）的木板条，因这个胶木条是直的，所以还要想办法加工成半径为R0的弧形。为此，再用同样长度、宽度、厚为2mm的铁条或铝条，在半径为R0的圆形铁管上打成圆弧形的。然后把胶木板的一面和铁条的内弧度面涂上胶或环氧树脂，把木板条（未涂胶的一面）对着半径为R0的圆铁管，用铁条将胶木板压在铁管上，再拿铅丝将它们捆牢，胶干以后，将胶木板取下，这时胶木板和铁条粘在一起就变成半径为R0的圆弧形了。

然后再根据演示需要，选取最大显示数字n。由于大型演示电流计的表针零点一般在中心位置，当指针向左、右两侧偏转时，都应能显示出数字n。我们取n=5，那么硅光电池的数目N=2n＋1=11（个），硅光电池的宽度L为5mm（用2CR32型号的光电池），若硅光电池间的间隔取为I\(_{o}\)，那么就可从弧长公式S=N1＋（N－1）Io，求出I\(_{o}\)≈0.8mm。如果求出的Io太小或为负值，说明弧度半径没取对。将11块硅光电池按着间隔0.8mm的距离均匀地粘在胶木板上（即内弧度面），粘时，中间一块光电池应正对着指针的中心位置。光电池的两根引线焊在铆钉上。

遮光片用铝箔或高级香烟中锡纸制作，其宽度等于光电池的宽度加间隙为5mm＋0.8mm=5.8mm，折成直角，用一层薄胶粘在指针背后。对遮光片的要求是粘在指针上不应影响指针平衡，遮光要好。

光源用的是0.3安、6伏小灯泡。

将硅光电池的引线分别接至相应的数码显示输入端，当电流计中有电流通过时，指针偏转，就会有相应的数码显示。

以上仅介绍了两种例子，如果配上其它的附件可以完成中学物理中的大部分实验。各附件的制作，老师们可根据情况自己选定。（赵明大 秦迤君）