基于虛擬儀器實(shí)現(xiàn)阿基米德原理探究實(shí)驗(yàn)

杜嘉萍，吳先球,b

(華南師范大學(xué) a.物理與電信工程學(xué)院;b.物理學(xué)科基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

阿基米德原理實(shí)驗(yàn)是八年級重要演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要學(xué)生掌握探究物體在液體中所受浮力與排開液體所受重力的關(guān)系的原理和方法，學(xué)會從數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律[1]. 傳統(tǒng)與部分改進(jìn)教學(xué)裝置，尚存在操作繁難、采集數(shù)據(jù)誤差大、物理量可視化不足等的問題[2-4]. 在信息技術(shù)與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合的案例中，虛擬儀器因其靈活的“開發(fā)性”和“擴(kuò)展性”不失為好的輔助工具. 其能瞬時(shí)或連續(xù)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化方式多樣，同時(shí)能提高儀器操控的自動化水平. 本文借助虛擬儀器研制阿基米德原理實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)對儀器的控制和受力數(shù)據(jù)的測量，簡化實(shí)驗(yàn)步驟的同時(shí)，提高裝置的可操作性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)思路

根據(jù)物體受力平衡，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材用測力計(jì)測量物體浸在液體中的拉力，與物體所受重力作差間接得出浮力，通過溢水杯溢水，用測力計(jì)測出物體排開液體所受的重力. 基于虛擬儀器技術(shù)的阿基米德原理實(shí)驗(yàn)裝置，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材基礎(chǔ)上做了以下改進(jìn)：

1)物體升降傳動控制. 借助步進(jìn)電機(jī)與皮帶的傳動裝置，用編程實(shí)現(xiàn)承重板升降帶動物體升降，改變物體浸入液體體積或深度，解決原實(shí)驗(yàn)存在的操作耗時(shí)費(fèi)力、誤差大等問題.

2)力傳感器采集數(shù)據(jù). 利用NI myDAQ和力傳感器代替彈簧測力計(jì)，并通過傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)讀取力值取代傳統(tǒng)從測力計(jì)上查看示數(shù).

3)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理. 利用虛擬儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理在面板上一鍵達(dá)成，并對受力情況數(shù)據(jù)以表格、圖像等多種形式可視化，幫助教師克服難以兼顧演示以及對數(shù)據(jù)采集和處理的困難.

4)動態(tài)過程數(shù)據(jù)可視化. 原教材裝置對物體逐步浸入液體中力學(xué)量變化的圖像描述沒有研究，但有關(guān)這個(gè)過程的習(xí)題較多[4]. 針對以上問題，本文利用數(shù)據(jù)瞬時(shí)采集特點(diǎn)，通過波形圖表的形式，對物體逐步浸入液體的動態(tài)過程中2只力傳感器F1和F2的數(shù)據(jù)變化趨勢實(shí)現(xiàn)可視化.

5)現(xiàn)象放大. 安裝與裝置連接的攝像頭，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程，放大演示現(xiàn)象，讓學(xué)生能通過用戶界面清晰觀察實(shí)驗(yàn).

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，使用NI myDAQ板連接計(jì)算機(jī)和硬件裝置，在LabVIEW編程環(huán)境下開發(fā)后臺程序和使用界面，使用戶操控LabVIEW前面板使用界面的虛擬儀器按鍵，實(shí)現(xiàn)物體升降以及力傳感器數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化控制，并通過攝像頭將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場情況實(shí)時(shí)地反饋至前面板，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

1)觀察物體浸在液體的體積增大過程中，2只力傳感器F1和F2的數(shù)據(jù)動態(tài)變化.

懸掛物體后，在“動態(tài)圖像顯示”選項(xiàng)卡，單擊“開始采集”按鈕開啟數(shù)據(jù)采集. 調(diào)整“實(shí)驗(yàn)操作”面板中“改變重物升降高度”值為10 cm，選擇重物運(yùn)動方向?yàn)椤跋陆怠保瑔螕簟伴_始升降”按鈕，物體下降過程中，數(shù)據(jù)被采集并顯示在波形圖表中. 過程完成后，點(diǎn)擊“暫停采集”按鈕.

結(jié)果顯示，隨著物體浸在液體中體積增大，力傳感器1隨時(shí)間的變化曲線呈下降趨勢，近乎同時(shí)，力傳感器2隨時(shí)間的變化曲線呈上升趨勢，且二者趨勢改變的程度相差無幾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 力傳感器隨物體浸在液體中體積增大數(shù)據(jù)變化曲線

2)驗(yàn)證阿基米德原理實(shí)驗(yàn)過程中，物體浸入液體每個(gè)時(shí)刻和狀態(tài)都定量遵循公式F浮=G排.

物體浸入液體前，杯子處于空杯時(shí)，在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集”選項(xiàng)卡，單擊“單次采集開始”按鈕，采集力傳感器1和2的數(shù)據(jù)，并記錄為G桶和G物.

調(diào)整“實(shí)驗(yàn)操作”面板中“改變重物升降高度”值選擇1 cm、選擇重物運(yùn)動方向?yàn)椤跋陆怠?，使重物下降設(shè)定高度后自動停止，維持浸在液體中靜止?fàn)顟B(tài)，單擊“單次采集開始”按鈕，采集力傳感器1和2的數(shù)據(jù)，并記錄為F1和F2的力值在表格中. 單擊“計(jì)算F浮”“計(jì)算G排”按鈕，該狀態(tài)對應(yīng)的F浮和G排的數(shù)值通過公式自動計(jì)算出來.

再設(shè)定“改變重物升降高度”令重物再次下降，從而改變重物浸在液體中的體積. 多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果證實(shí)實(shí)驗(yàn)遵循公式F浮=G排，如圖4所示.

圖4 驗(yàn)證阿基米德原理公式F浮=G排

以上實(shí)驗(yàn)探究，可以幫助學(xué)生了解各力學(xué)量隨著物體浸在液體體積增大過程的動態(tài)變化，突破對物體逐步浸入液體中各力學(xué)量隨時(shí)間變化的圖像描述的教學(xué)難點(diǎn). 在F浮=G排的定量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，使教師能平穩(wěn)改變物體浸在液體中的體積，保證得到的數(shù)據(jù)有規(guī)律地遞進(jìn)變化. 分析數(shù)據(jù)可以增強(qiáng)學(xué)生對規(guī)律本質(zhì)的理解，體會物體在液體中不同浸入體積時(shí)各靜態(tài)瞬間公式的適用性.

3 結(jié)束語

利用虛擬儀器的自動化和靈活開發(fā)性等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了阿基米德原理探究實(shí)驗(yàn)的控制、數(shù)據(jù)采集與可視化等功能，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時(shí)，展示效果和教學(xué)效果得到強(qiáng)化. 此外，利用虛擬儀器教學(xué)開拓了學(xué)生視野，使學(xué)生感受科技改善教學(xué)的手段，提高信息素養(yǎng). 虛擬儀器與教學(xué)的結(jié)合應(yīng)用，給傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)運(yùn)作都提供了嶄新的思路.