古啟蒙

(中山市華僑中學(xué) 廣東 中山 528400)

基于聲卡和Labview軟件的摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)新方式研究

古啟蒙

(中山市華僑中學(xué) 廣東 中山 528400)

利用電子、傳感器技術(shù)和Labview軟件研制了一個成本低、實(shí)用性強(qiáng)的基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置，克服了傳統(tǒng)摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讀數(shù)不準(zhǔn)，難以控制勻速、很難觀察到瞬間變化的過程等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定性研究與定量研究相結(jié)合.實(shí)驗(yàn)操作簡單，現(xiàn)象明顯直觀，為摩擦力實(shí)驗(yàn)的有效教學(xué)提供了一個新的方式．

摩擦力 傳感器Labview聲卡 數(shù)據(jù)采集器

眾所周知，實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中是十分重要的.作為物理教師對于課程中的實(shí)驗(yàn)都很重視，在不斷探索物理教學(xué)中，也在尋求實(shí)驗(yàn)教學(xué)的提高和突破，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果.

由于在新課程標(biāo)準(zhǔn)中，物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的增加，實(shí)驗(yàn)要求和方式的變化，對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)資源也就相應(yīng)地提出了較高的新要求．對于摩擦力實(shí)驗(yàn)，一直是高中物理教學(xué)的一大難點(diǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是利用彈簧測力計(jì)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的,如圖1所示，為高中物理

教材粵教版必修1中摩擦力實(shí)驗(yàn)的原理圖.儀器簡單,但操作要求較高．

圖1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

讀數(shù)時，彈簧測力計(jì)處于運(yùn)動狀態(tài)，讀數(shù)非常困難；人手難以保持勻速拉動木塊；難以讀出最大靜摩擦力以及看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力．往往僅能做定性的觀測, 無法進(jìn)行定量研究．

因此,針對實(shí)際教學(xué)情況，本文用自制的拉力傳感器來代替彈簧測力計(jì)做這個實(shí)驗(yàn),研制出一個成本低、實(shí)用性強(qiáng)的基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置，應(yīng)用于課堂的摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)．

1 基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

本裝置的系統(tǒng)框圖如圖2所示，摩擦力實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的力信號通過拉力傳感器轉(zhuǎn)化、放大成易于采集的電信號，再通過基于聲卡和Labview軟件的數(shù)據(jù)采集器采集、顯示．

圖2 裝置的系統(tǒng)框圖

1.1 摩擦力實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 裝置原理圖

使用了拉力傳感器、彈簧、小滑塊、帶輪木板、導(dǎo)軌等．本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案為：

(1)將拉力傳感器固定在導(dǎo)軌的一端；

(2)帶輪的木板放在導(dǎo)軌上面，木板可以在導(dǎo)軌上自由移動；

(3)在木板上放有小滑塊，小滑塊上面可以放砝碼，小滑塊的一端和拉力傳感器的另一端相連接，中間還連接著一個彈簧，我們要研究的就是小滑塊受到摩擦力的變化情況；

(4)實(shí)驗(yàn)時，通過拉帶輪的木板來使小滑塊受到的摩擦力發(fā)生變化；根據(jù)二力平衡原理，小滑塊受到的摩擦力大小和拉力傳感器受到的拉力相等，拉力傳感器把摩擦力信號傳給數(shù)據(jù)采集器，即時顯示出摩擦力的變化情況．通過觀察彈簧的伸縮變化可以使我們直觀地觀察到摩擦力的變化．

1.2 拉力傳感器的制作

該拉力傳感器在整個摩擦力測量系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，它是實(shí)物測量和虛擬儀器顯示之間的橋梁．拉力傳感器實(shí)際上是一種可以將拉力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置．該拉力傳感器主要是由電阻應(yīng)變式稱重傳感器和放大倍數(shù)為0～

1 000倍的AD623放大器兩部分組成．該傳感器最大可承受6N的力，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的摩擦力比較小，所以選擇了這種量程小但靈敏度高的傳感器．AD623芯片的同反相輸入正好符合稱重傳感器的電橋的輸出．可通過調(diào)節(jié)放大按鈕隨時調(diào)整放大倍數(shù)．

1.3 基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

圖4為本實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集器的系統(tǒng)框圖，數(shù)據(jù)采集器是把實(shí)驗(yàn)過程中的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出，實(shí)現(xiàn)了數(shù)模之間的轉(zhuǎn)換．而聲卡也是一個同樣具備數(shù)模轉(zhuǎn)換功能的設(shè)備．利用聲卡在音頻范圍內(nèi)代替專用的數(shù)據(jù)采集器，大大降低了在實(shí)際教學(xué)中使用數(shù)據(jù)采集器的門檻．

圖4 數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)框圖

2 摩擦力測量裝置的測試和分析

2.1 演示靜摩擦力的大小隨拉力F的增加而增大

對木板施加一個適當(dāng)?shù)睦，使小滑塊和木板間不發(fā)生相對運(yùn)動, 此時小滑塊受到的是靜摩擦力, 拉力恒定，波形是一條平行X軸的直線．如施加的拉力逐漸增大, 若滑塊還未發(fā)生滑動, 波形呈上升狀，如圖5所示．圖中從AB段可以看到當(dāng)拉力F增大時，摩擦力也是逐漸增大的，這就可以證明傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得到的第一個結(jié)論：靜摩擦力的大小隨拉力F的增加而增大．

圖5 靜摩擦力曲線

2.2 演示最大靜摩擦力和滑動摩擦力的關(guān)系

2.2.1 定性研究

在2.1的基礎(chǔ)上,如果不斷地增加施加給木板的拉力F,靜摩擦力的增大是有限度的， 當(dāng)增加到一定數(shù)值后, 小滑塊開始相對滑動了,此時的波形如圖6所示．

圖6 最大靜摩擦力波形

我們可以看到摩擦力逐漸增大到一個值，突然變小，數(shù)值變小的那瞬間恰好是小滑塊相對木塊滑動的瞬間，摩擦力達(dá)到的最大值(C點(diǎn))就是小滑塊受到的最大靜摩擦力大?。l(fā)生相對滑動之后小滑塊受到的就是滑動摩擦力(EF段)．由圖我們可以清楚地看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力．

2.2.2 定量研究

由圖6可得，C點(diǎn)即是最大靜摩擦力點(diǎn)，可以知道其最大靜摩擦力為4.33N，滑動摩擦力為3.53N，4.33N>3.53N，由數(shù)值可以看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，而且還可以知道最大靜摩擦力比滑動摩擦力大0.2N．

3 測量系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢分析

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，這個基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置的設(shè)計(jì)滿足中學(xué)物理摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求和學(xué)生學(xué)習(xí)摩擦力知識的需要．與傳統(tǒng)摩擦力實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，該裝置具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

(1)觀察直觀，定性與定量研究相結(jié)合，提高效率．利用本裝置可以把記錄下摩擦力的瞬間變化，同時實(shí)現(xiàn)了定性和定量研究有效結(jié)合，解決了瞬間變化難以看到和讀數(shù)不準(zhǔn)的問題．提高了實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確度．

(2)滑塊轉(zhuǎn)動為靜，降低操作難度．采用了固定滑塊而直接拉下面的木板時不用控制勻速, 避免了直接拉滑塊時很難控制勻速運(yùn)動而造成的誤差，降低實(shí)驗(yàn)難度，過程簡單明了，效果明顯．

(3)使用成本低、實(shí)用性強(qiáng)的基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器．市面上的數(shù)據(jù)采集器一般比較昂貴，難以普及．而本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在Labview軟件件環(huán)境下，使用了一套基于聲卡的數(shù)據(jù)采集器，大大降低了成本，有利于普及．

(4)制作了一種高靈敏度、高準(zhǔn)確度的拉力傳感器，可以解決中學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中無法觀察、讀取瞬間變化的力的問題，為中學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合提供了一座橋梁，已成功應(yīng)用于摩擦力實(shí)驗(yàn)．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))．北京：人民教育出版社，2003

2 侯國屏，王坤，葉奇鑫.Labview7.l編程與虛擬儀器設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，2005

3 呂紅英．基于聲卡的虛擬儀器及其在電磁學(xué)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用：[碩士學(xué)位論文]．廣州：華南師范大學(xué)，2005,6

4 胡穎舒．基于USB聲卡和虛擬儀器的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)和應(yīng)用：[碩士學(xué)位論文]．廣州：華南師范大學(xué)，2008,5

5 廣東基礎(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)中心.普通高中物理教科書(必修1)．廣州：廣東教育出版社，2010

2017-02-08)