超重失重演示儀

馬玉橋

項目的由來及原理

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

超重和失重現象是力學教學中要遇到的兩種抽象物理現象。這兩種現象是學生學完牛頓運動定律后，知識的遷移和應用部分，也是一個比較重要的、典型的應用型知識點。這是因為：其一，超重和失重產生原因的分析，要用到參考式的概念和牛頓第二定律、牛頓第三定律，這不僅有利于學生鞏固對有關概念定律的正確理解，也有助于培養(yǎng)學生分析問題的能力；其二，這是一個貼近日常生活的實際問題，能激發(fā)學生的學習興趣和體會生活中的物理知識；其三，超重和失重現象與航天技術緊密聯系，讓學生了解我國前沿科學，可以激發(fā)學生的情感價值。物體超重、失重的演示有多種方法。做這個演示的時候，要求被演示物體有較大的加速度，超重失重現象才比較明顯，因此演示現象往往一閃而過，教室里絕大部分學生根本來不及觀察。例如若加速度為0.3m/s2，則位移1.5m，時間僅為0.3s，加速度再大些，時間就更短了。超重與失重現象最直觀的表現是用測力計或臺秤測物體的重力時示數會變大或變小。雖然學生通過坐電梯或坐過山車能獲得親身體驗，但卻無法直觀地看到在超重和失重狀態(tài)下測量示數的改變。因此這種體驗活動是有局限性的。如果能讓學生在課堂上親眼目睹超重與失重現象，并能感受在現象中示數的變化，將更有助于學生對相關知識的研究與學習。制作“超重與失重現象演示儀”正是為了實現該目的。

目前的自制演示教具大多為手動的，無法記錄實驗現象，所以，這就需要有一種實驗演示儀能把實驗結果留下來。

利用微處理器Arduino單片機作為控制單元設計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象，還可以通過單片機控制壓力傳感器把物體受到的水平面支持力的數值在顯示屏上顯示出來。這樣，學生就可以直觀地觀察到在超重失重過程中物體所受支持力的變化情況。

實驗裝置工作原理與結構

實驗裝置原理見圖l，結構見圖2。

說明：電機在程序的主導下由遙控器控制，可以實現加速或減速轉動。在電機牽引下，同步帶就會加速或減速運動，繼而帶動“迷你電梯”的運動，在迷你電梯內的重物就會產生超重或失重現象，這時，迷你電梯內的電子秤，測得的物重就會發(fā)生改變。迷你電梯內部自帶的電子秤稱得的物體重量數據將通過內部自帶的無線數據傳輸模塊傳送到與顯示屏連接的無線接收裝置，經過上位機的轉變，在顯示屏就會顯示出電子秤上稱量所得物重。在按照最初設計制作的裝置進行實驗時發(fā)現，迷你電梯晃動嚴重，導致電子秤的示數變化波動大，實驗效果受到影響，經反復改進后，迷你電梯的穩(wěn)定性得到改善，電子秤示數波動很小。實驗裝置實物見圖3。

演示實驗過程

◇按圖2安裝好裝置，接通電源，打開電機控制裝置的電源開關。

◇打開電子秤，打開顯示屏，打開串口，調節(jié)電子秤的讀數顯示，校準讀數使顯示讀數正確。

◇使用遙控器控制電機，使迷你電梯實現加速上升或下降，就可以在電腦上采集到物體所受支持力的變化情況。通過遙控器控制，我們可以實現電梯加速上升、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）過程，在這些運動過程中，迷你電梯內的電子秤實時測量物體重量并發(fā)送到顯示屏上同步更新顯示。本教具的最大特點在于使用Arduino單片機進行編程控制，可以實現穩(wěn)定持久的勻加速或勻減速運動，使得超重失重現象更加直觀明顯，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，物體所受水平支持力明顯變大；當迷你電梯減速上升或加速下降時，物體受到的水平支持力明顯變??；當迷你電梯勻速運動時，物體所受水平支持力基本不變；本教具的實驗測量數據穩(wěn)定，變化明顯。

經測量，靜止時稱量的300g的重物在加速上升時，視重可達到3l0g；加速下降時，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，足以向學生展示超重失重狀態(tài)下物體視重的變化，令學生對此知識產生深刻的認識。

創(chuàng)新點

◇解決現有超重失重演示儀器加速不穩(wěn)定、不可控問題。目前的教學應用中的超重失重演示儀加速度不穩(wěn)定，假如在電梯里實驗的話，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，可以現場演示，效果完全與真正的電梯相同。

◇保留了傳統(tǒng)實驗的直觀性?？茖W技術與傳統(tǒng)實驗相結合，使得演示實驗在保留傳統(tǒng)實驗的直觀性的基礎上又增強了演示效果。

◇解決了讀取數據困難的問題。使用單片機處理，不僅可以在課堂上感受超重失重的現象，還可以觀察在超重失重環(huán)境中物體視重的變化；通過無線模塊將數據傳送到顯示屏上顯示，還避免了在超重失重環(huán)境中讀數的困難。

◇易拆裝，方便攜帶，穩(wěn)定性好，便于課堂演示教學使用。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目采用單片機技術設計制作了超重失重演示儀，可以模擬電梯運動。該項目原理科學、概念清晰、構思巧妙、設計合理，作品教育性強。項目選題新穎，具有實質性創(chuàng)新，對傳統(tǒng)方法有突破。作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。希望該項目擴大加速度變化的演示范圍。