基于傳感器的凹凸橋?qū)嶒?yàn)儀*

江 華 謝 嬌 張 勇

(重慶市潼南中學(xué)校 重慶 402660)

1 概論

凹凸橋這一知識點(diǎn)是人教版必修二圓周運(yùn)動部分的重要內(nèi)容，也是考試的重要內(nèi)容，更是日常生活中常見的橋模型，是生活中的重要常識.凹凸橋理論的學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)生對生活中各種橋原理的理解，也可以促進(jìn)學(xué)生在生活中對凹凸橋理論的運(yùn)用.凹凸橋教學(xué)模型的演示對學(xué)生理解凹凸橋理論有著很大的幫助，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的凹凸橋演示器只能定性地觀察和分析，并不能夠定量地實(shí)驗(yàn)和分析.為了彌補(bǔ)這一不足，筆者團(tuán)隊(duì)在傳感器的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究制作了能夠定量實(shí)驗(yàn)的凹凸橋演示儀.現(xiàn)將具體情況介紹如下.

2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)方法及不足

2.1 第一類凹凸橋?qū)嶒?yàn)演示器

2.1.1 儀器介紹

一般實(shí)驗(yàn)室的凹凸橋演示器，如圖1所示，是泰州市永創(chuàng)教學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的凹凸橋演示器.該儀器由塑料、木質(zhì)組成的固定裝置和兩塊亞克力板制成的彎曲軌道組成，亞克力板中間的縫隙寬度可以利用中間的兩個(gè)螺母進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)凹凸橋演示器

2.1.2 使用方法介紹

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將金屬小球分別放到導(dǎo)軌的最低點(diǎn)，調(diào)節(jié)兩螺母到適當(dāng)位置，讓小球放在導(dǎo)軌最低點(diǎn)時(shí)，金屬小球不會從間隙中掉下.再將小球從左端最高處靜止釋放，發(fā)現(xiàn)小球在運(yùn)動到最低點(diǎn)時(shí)會從縫隙掉下.這一現(xiàn)象說明小球過凹形橋的最低點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力大于小球本身的重力，超重.

將金屬小球放到導(dǎo)軌的最高點(diǎn)，調(diào)節(jié)左邊螺母，使狹縫變小，調(diào)節(jié)右邊螺母使金屬小球恰好能從軌道掉下.再將小球從左端最高處靜止釋放，發(fā)現(xiàn)小球通過凸形橋時(shí)不會掉下.這一現(xiàn)象說明金屬小球通過凸形橋最高點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力小于本身重力，失重.

2.1.3 優(yōu)點(diǎn)和不足

該儀器能夠較好地將金屬小球通過凹凸橋時(shí)的超重、失重現(xiàn)象清晰、直觀地展現(xiàn)出來.但是該儀器不能定量地展現(xiàn)出壓力大于或者小于重力，而且可信度不夠，更不能展現(xiàn)出凹凸橋中

這兩個(gè)力學(xué)關(guān)系.

2.2 第二類凹凸橋?qū)嶒?yàn)演示器

2.2.1 儀器介紹

如圖2和圖3所示，該實(shí)驗(yàn)演示器為湖南津市一中物理組教師共同研制，由木質(zhì)結(jié)構(gòu)、薄鐵片、電路、燈泡等器材構(gòu)成.該演示器原理為：利用小球經(jīng)過軌道最高點(diǎn)和最低點(diǎn)時(shí)對接觸薄片的壓力使薄片發(fā)生形變，從而接通電源，使燈泡發(fā)亮.

圖2 第二類凹凸橋演示器立體圖

圖3 第二類凹凸橋演示器電路圖

2.2.2 使用方法介紹

將金屬球分別靜止放在凹凸橋軌道的最低點(diǎn)，調(diào)節(jié)下方螺母，使Ⅰ燈不亮，且螺母最高處和金屬片距離不大.將金屬球再靜止放在凹凸橋軌道的最高點(diǎn)，調(diào)節(jié)下方螺母，使Ⅱ燈剛好發(fā)亮.

將金屬球從左端高處靜止釋放，發(fā)現(xiàn)通過最低點(diǎn)時(shí)，Ⅰ燈亮了，而通過最高點(diǎn)時(shí)Ⅱ燈未亮，這說明金屬球在最低點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力大于重力，超重；當(dāng)小球通過最高點(diǎn)時(shí)，Ⅱ燈不亮，說明金屬球通過凸橋最高點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力小于重力，失重.

2.2.3 優(yōu)點(diǎn)和不足

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材介紹

3.1 實(shí)驗(yàn)器材結(jié)構(gòu)

運(yùn)動物體(即研究對象)為直徑d=50 mm左右的實(shí)心金屬球，實(shí)驗(yàn)室里的一般金屬小球因其質(zhì)量太小，通過凸橋時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，誤差較大.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，一金屬制作的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌寬度略大于所選金屬小球的直徑.利用支架將導(dǎo)軌固定在一板上，導(dǎo)軌的下凹處和上凸處制成半徑r=0.5 m的圓弧狀.在凹橋的最低點(diǎn)和凸橋的最高點(diǎn)分別切下寬度約為1 cm的金屬片a,b(如圖5)，將兩塊金屬片下方分別焊接上力傳感器.調(diào)節(jié)金屬片a,b高度，使之與軌道平滑相接(如圖5)，以小球通過接縫時(shí)無碰撞、無頓挫為達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，之后將傳感器固定在下方立柱上.a,b兩金屬片上方分別安裝一個(gè)光電門.特別強(qiáng)調(diào)，塑料導(dǎo)軌因其材料的局限性，不太容易達(dá)到接縫處的平滑相接，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差變大，所以導(dǎo)軌不建議使用塑料材質(zhì).

圖4 基于傳感器的凹凸橋演示器

圖5 測量位置細(xì)節(jié)圖

該實(shí)驗(yàn)還需要與力學(xué)傳感器和光電門所配套的電腦軟件DISL.其中力軟件需要使用“物理專用”軟件中的“力的相互作用”或者“通用軟件”，并需要以F-t圖的形式展現(xiàn)測量數(shù)據(jù).

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)安裝實(shí)驗(yàn)器材.調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器水平、實(shí)驗(yàn)軌道豎直，打開DISL軟件，連接光電門電路.

(2)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)器材.調(diào)節(jié)金屬片a,b的高度，使金屬球通過接縫時(shí)無碰撞、無頓挫，調(diào)節(jié)好后用螺母將傳感器固定于立柱上.

(3)測量金屬球重力.對傳感器調(diào)零，再將金屬小球靜止放在a金屬片上，記錄此時(shí)力傳感器顯示的數(shù)據(jù)，即為金屬小球的重力mg.

(4)將金屬球從左端較高處釋放，記錄經(jīng)過a,b兩金屬片時(shí)，通過光電門的時(shí)間ta,tb，及兩力傳感器的最大力Fa,Fb.

(6)改變小球釋放地點(diǎn)及小球的大小，重復(fù)進(jìn)行(3)、(4)、(5)步操作，再次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

(7)總結(jié)結(jié)論.

3.3 傳承與創(chuàng)新

該儀器在傳統(tǒng)凹凸橋造型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，傳承了傳統(tǒng)凹凸橋的基本結(jié)構(gòu)，仍然利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所研究的凹橋最低點(diǎn)和凸橋最高點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.同時(shí)本儀器在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)在科技進(jìn)步所帶來的新器材，加入了力傳感器、光電門、DISL系統(tǒng)等新科技元素.利用力傳感器能夠測量運(yùn)動過程中小球?qū)壍缽椓Υ笮?彌補(bǔ)了前輩無法準(zhǔn)確測量運(yùn)動過程中物體產(chǎn)生的彈力的不足；利用光電門測量運(yùn)動物體速度這一特點(diǎn)，彌補(bǔ)了前輩不方便測量曲線運(yùn)動物體速度這一遺憾.因此，本實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)點(diǎn)就是:

(1)可以定量地分析小球過凹凸橋時(shí)的彈力數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)說明小球過凹凸橋的超重、失重現(xiàn)象；

該實(shí)驗(yàn)在測量小球速度時(shí)，因?yàn)樾∏虻闹睆捷^大，所以測量誤差較大，增大了整體實(shí)驗(yàn)的誤差.改進(jìn)方法為：制作一個(gè)密度更大的小球，使其質(zhì)量較大而直徑較小.同時(shí)，a，b金屬片與導(dǎo)軌平滑相連的調(diào)節(jié)難度較大，需要改進(jìn).

4 結(jié)束語

凹凸橋這部分內(nèi)容是對向心力知識的運(yùn)用，學(xué)生對這部分內(nèi)容的理解可以促進(jìn)其對向心力知識的理解，也使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)的物理理論知識運(yùn)用到生活中去，真正做到學(xué)以致用.同時(shí)該實(shí)驗(yàn)的完成對《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》核心素養(yǎng)要求的落實(shí)，有促進(jìn)作用.希望這個(gè)儀器能對學(xué)生掌握知識、培養(yǎng)能力有幫助，對教師的教育教學(xué)工作有幫助.