馬玉橋

項(xiàng)目的由來(lái)及原理

假如人乘坐電梯時(shí)站在體重秤上面，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，秤上顯示的體重在電梯加速上升時(shí)變大了，而加速下降時(shí)則變小了，這就是超重和失重現(xiàn)象。

超重和失重現(xiàn)象是力學(xué)教學(xué)中要遇到的兩種抽象物理現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象是學(xué)生學(xué)完牛頓運(yùn)動(dòng)定律后，知識(shí)的遷移和應(yīng)用部分，也是一個(gè)比較重要的、典型的應(yīng)用型知識(shí)點(diǎn)。這是因?yàn)椋浩湟唬睾褪е禺a(chǎn)生原因的分析，要用到參考式的概念和牛頓第二定律、牛頓第三定律，這不僅有利于學(xué)生鞏固對(duì)有關(guān)概念定律的正確理解，也有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力；其二，這是一個(gè)貼近日常生活的實(shí)際問(wèn)題，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和體會(huì)生活中的物理知識(shí)；其三，超重和失重現(xiàn)象與航天技術(shù)緊密聯(lián)系，讓學(xué)生了解我國(guó)前沿科學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的情感價(jià)值。物體超重、失重的演示有多種方法。做這個(gè)演示的時(shí)候，要求被演示物體有較大的加速度，超重失重現(xiàn)象才比較明顯，因此演示現(xiàn)象往往一閃而過(guò)，教室里絕大部分學(xué)生根本來(lái)不及觀察。例如若加速度為0.3m/s2，則位移1.5m，時(shí)間僅為0.3s，加速度再大些，時(shí)間就更短了。超重與失重現(xiàn)象最直觀的表現(xiàn)是用測(cè)力計(jì)或臺(tái)秤測(cè)物體的重力時(shí)示數(shù)會(huì)變大或變小。雖然學(xué)生通過(guò)坐電梯或坐過(guò)山車(chē)能獲得親身體驗(yàn)，但卻無(wú)法直觀地看到在超重和失重狀態(tài)下測(cè)量示數(shù)的改變。因此這種體驗(yàn)活動(dòng)是有局限性的。如果能讓學(xué)生在課堂上親眼目睹超重與失重現(xiàn)象，并能感受在現(xiàn)象中示數(shù)的變化，將更有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的研究與學(xué)習(xí)。制作“超重與失重現(xiàn)象演示儀”正是為了實(shí)現(xiàn)該目的。

目前的自制演示教具大多為手動(dòng)的，無(wú)法記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以，這就需要有一種實(shí)驗(yàn)演示儀能把實(shí)驗(yàn)結(jié)果留下來(lái)。

利用微處理器Arduino單片機(jī)作為控制單元設(shè)計(jì)的超重失重演示儀不但可以精確而且直觀地演示出超重失重的物理現(xiàn)象，還可以通過(guò)單片機(jī)控制壓力傳感器把物體受到的水平面支持力的數(shù)值在顯示屏上顯示出來(lái)。這樣，學(xué)生就可以直觀地觀察到在超重失重過(guò)程中物體所受支持力的變化情況。

實(shí)驗(yàn)裝置工作原理與結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)裝置原理見(jiàn)圖l，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

說(shuō)明：電機(jī)在程序的主導(dǎo)下由遙控器控制，可以實(shí)現(xiàn)加速或減速轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)牽引下，同步帶就會(huì)加速或減速運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)“迷你電梯”的運(yùn)動(dòng)，在迷你電梯內(nèi)的重物就會(huì)產(chǎn)生超重或失重現(xiàn)象，這時(shí)，迷你電梯內(nèi)的電子秤，測(cè)得的物重就會(huì)發(fā)生改變。迷你電梯內(nèi)部自帶的電子秤稱(chēng)得的物體重量數(shù)據(jù)將通過(guò)內(nèi)部自帶的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送到與顯示屏連接的無(wú)線(xiàn)接收裝置，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的轉(zhuǎn)變，在顯示屏就會(huì)顯示出電子秤上稱(chēng)量所得物重。在按照最初設(shè)計(jì)制作的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，迷你電梯晃動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致電子秤的示數(shù)變化波動(dòng)大，實(shí)驗(yàn)效果受到影響，經(jīng)反復(fù)改進(jìn)后，迷你電梯的穩(wěn)定性得到改善，電子秤示數(shù)波動(dòng)很小。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物見(jiàn)圖3。

演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程

◇按圖2安裝好裝置，接通電源，打開(kāi)電機(jī)控制裝置的電源開(kāi)關(guān)。

◇打開(kāi)電子秤，打開(kāi)顯示屏，打開(kāi)串口，調(diào)節(jié)電子秤的讀數(shù)顯示，校準(zhǔn)讀數(shù)使顯示讀數(shù)正確。

◇使用遙控器控制電機(jī)，使迷你電梯實(shí)現(xiàn)加速上升或下降，就可以在電腦上采集到物體所受支持力的變化情況。通過(guò)遙控器控制，我們可以實(shí)現(xiàn)電梯加速上升、下降，減速上升、下降，勻速上升、下降，全程模擬電梯的上升、下降（先加速，再勻速，后減速）過(guò)程，在這些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，迷你電梯內(nèi)的電子秤實(shí)時(shí)測(cè)量物體重量并發(fā)送到顯示屏上同步更新顯示。本教具的最大特點(diǎn)在于使用Arduino單片機(jī)進(jìn)行編程控制，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持久的勻加速或勻減速運(yùn)動(dòng)，使得超重失重現(xiàn)象更加直觀明顯，便于觀察。

使用效果

利用這套儀器，可以讓觀察者看到：迷你電梯加速上升或減速下降時(shí)，物體所受水平支持力明顯變大；當(dāng)迷你電梯減速上升或加速下降時(shí)，物體受到的水平支持力明顯變?。划?dāng)迷你電梯勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體所受水平支持力基本不變；本教具的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變化明顯。

經(jīng)測(cè)量，靜止時(shí)稱(chēng)量的300g的重物在加速上升時(shí)，視重可達(dá)到3l0g；加速下降時(shí)，視重僅為288g左右。物體在超重失重狀態(tài)下的視重變化非常明顯且穩(wěn)定，足以向?qū)W生展示超重失重狀態(tài)下物體視重的變化，令學(xué)生對(duì)此知識(shí)產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)。

創(chuàng)新點(diǎn)

◇解決現(xiàn)有超重失重演示儀器加速不穩(wěn)定、不可控問(wèn)題。目前的教學(xué)應(yīng)用中的超重失重演示儀加速度不穩(wěn)定，假如在電梯里實(shí)驗(yàn)的話(huà)，效果是很好，但是在課堂上卻不可行，但超重失重演示儀穩(wěn)定可控，可操作性強(qiáng)，可以現(xiàn)場(chǎng)演示，效果完全與真正的電梯相同。

◇保留了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的直觀性?？茖W(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使得演示實(shí)驗(yàn)在保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的直觀性的基礎(chǔ)上又增強(qiáng)了演示效果。

◇解決了讀取數(shù)據(jù)困難的問(wèn)題。使用單片機(jī)處理，不僅可以在課堂上感受超重失重的現(xiàn)象，還可以觀察在超重失重環(huán)境中物體視重的變化；通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將數(shù)據(jù)傳送到顯示屏上顯示，還避免了在超重失重環(huán)境中讀數(shù)的困難。

◇易拆裝，方便攜帶，穩(wěn)定性好，便于課堂演示教學(xué)使用。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類(lèi)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目采用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)制作了超重失重演示儀，可以模擬電梯運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)目原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計(jì)合理，作品教育性強(qiáng)。項(xiàng)目選題新穎，具有實(shí)質(zhì)性創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價(jià)值。希望該項(xiàng)目擴(kuò)大加速度變化的演示范圍。