“超重、失重”演示儀的創(chuàng)新設計與使用

羅緒凱

摘? ?要：利用大量程壓力傳感器與朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab）設計了一款數(shù)字化“超重、失重”演示儀，有效解決了現(xiàn)有超重、失重演示儀器存在的效果不直觀的問題。該儀器設計思想創(chuàng)新，操作便捷，能夠?qū)崟r、動態(tài)地顯示壓力F隨時間t的變化曲線，能夠定量研究人下蹲和起立過程中的超重、失重現(xiàn)象，有效落實了新課程標準對“超重和失重”的教學要求。

關鍵詞：壓力傳感器;朗威DISLab;超重;失重

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2022）3-0047-3

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》[1]對“超重和失重”一節(jié)提出的要求是通過實驗認識超重和失重現(xiàn)象。新人教版高中物理必修第一冊繼續(xù)沿用舊人教版教材中使用過的一個素材，即人站在體重計上做下蹲、起立動作，觀察過程中體重計示數(shù)的變化。但在實際操作過程中存在示數(shù)變化太快、效果不明顯的問題。近年來，數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System），簡稱DIS，革新了實驗教學的手段與方式，優(yōu)化了實驗教學功能，推動了課程改革[2]。與傳統(tǒng)的實驗方法相比較，傳感器與計算機技術相結合的數(shù)字化實驗具有效率更高、精確度更好、分析功能更強大等優(yōu)點?；诖?，本文將大量程壓力傳感器與朗威DISLab相結合，設計制作了一款適合物理實驗教學的“超重、失重”演示儀器，充分利用現(xiàn)代信息技術，提高了課堂效率，突破了教學難點，提升了學生的學習興趣。

1? ? 常規(guī)演示儀器的不足

目前，教師在進行本節(jié)內(nèi)容教學時都喜歡探究人下蹲和起立過程中的超重、失重現(xiàn)象，設計了許多實驗方案。比如，有的方案是人用手提著一個彈簧測力計，在測力計下端掛上鉤碼，然后人開始做下蹲和起立的動作，觀測彈簧測力計的示數(shù)變化。但由于在此過程中手會出現(xiàn)晃動從而對實驗造成一定的影響，并且過程中測力計示數(shù)變化太快，可視度不高，學生很難觀察到測力計示數(shù)的變化情況[3]。此外，有的實驗方案是讓人站在傳統(tǒng)的指針式或數(shù)字式體重計上完成下蹲和起立動作來研究超重、失重現(xiàn)象，但實驗過程中發(fā)現(xiàn)，人在下蹲和起立過程中，體重計示數(shù)變化一閃而過，無法仔細觀察，實驗現(xiàn)象不夠直觀明顯[4]。

2? ? 實驗儀器設計與使用

2.1? ? 設計思想

基于上述實驗方案中存在的問題，進行如下思考：如果能夠自制一個體重計，結合現(xiàn)代信息技術直觀地呈現(xiàn)出人在下蹲和起立過程中的壓力F隨時間t的變化曲線，就可以幫助學生很好地認識下蹲和起立過程中的超重、失重現(xiàn)象，從而解決現(xiàn)有實驗方案存在的問題。目前，生活中很難找到一種體重計能夠動態(tài)呈現(xiàn)出壓力F隨時間t的變化，物理實驗室中配套的壓力傳感器量程很小，通常只有幾十牛，無法承受人體的壓力。因此，設計出一個能動態(tài)呈現(xiàn)壓力變化且能夠承受大質(zhì)量物體的體重計至關重要。網(wǎng)絡平臺上可以購買到大量程的壓力傳感器，它們的量程在幾百牛至上萬牛不等。如果能夠?qū)⑦@類大量程壓力傳感器與朗威DISLab兼容，便可以實現(xiàn)實時動態(tài)地呈現(xiàn)人在下蹲和起立過程中壓力F隨時間t的變化曲線。

2.2? ? 實驗器材

該實驗儀器主要由兩部分組成，即自制體重計和朗威DISLab。對于制作體重計，需要兩塊能夠承受很大壓力的板材。最初選擇的是透明的亞克力板，但是由于亞克力板硬度低，易裂、易碎、易變形，所以排除了這種材料?？紤]到取材方便、成本低，最終選擇了兩塊長寬均為28 cm、厚度為1 cm的木板作為自制體重計的上、下表面。然后購買了4個大量程（量程均為1 000 N）的壓力傳感器用于檢測壓力情況。由于有四個壓力傳感器的輸出信號，需要將它們進行數(shù)據(jù)匯總后再輸出，可通過一個四合一接線盒完成。由于壓力傳感器的輸出信號是mV數(shù)量級的電壓信號，電壓傳感器無法直接檢測，為了解決此問題，需要使用一個電壓放大器對微小電壓信號進行放大處理。電壓放大器的工作電壓為9～24 V的直流穩(wěn)壓電壓，可以采用高中學生電源的直流穩(wěn)壓電壓擋為其供電。最后，通過電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)嚼释﨑ISLab軟件中進行處理并繪制圖像。

整套實驗儀器共需要用到以下器材：長寬均為28 cm、厚度為1 cm的木板兩塊，量程均為1 000 N的壓力傳感器4個，螺栓若干，四合一接線盒1個，電壓放大器1個，高中學生電源1臺，電壓傳感器1個，數(shù)據(jù)采集器1個，傳感器連接線1根，USB數(shù)據(jù)傳輸線1根，帶有朗威DISLab軟件的筆記本電腦1臺。

2.3? ? 實驗儀器的制作與原理

2.3.1? ? 制作過程

將兩塊長寬均為28 cm、厚度為1 cm的木板通過螺栓分別固定在壓力傳感器的上、下表面，便于實驗人員踩腳，制作完成的體重計如圖1所示。

為了將四個壓力傳感器的輸出信號進行匯總，使用一個四合一接線盒（圖2）進行處理。由于壓力傳感器的輸出信號電壓是mV數(shù)量級，以至于電壓傳感器無法準確檢測，因此采用一個電壓放大器對傳感器輸出的電壓信號進行放大處理。電壓放大器的工作電壓為9～24 V的直流穩(wěn)壓電壓，采用高中學生電源的直流穩(wěn)壓電壓擋為其供電，本實驗中采用的是“16 V”擋。輸出電壓經(jīng)過放大后可以使用電壓傳感器進行檢測，并通過數(shù)據(jù)采集器將電壓數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦上的數(shù)字化實驗軟件中。獲取的電壓信號U如何轉(zhuǎn)化為壓力F的大??？可以通過朗威DISLab“通用軟件”板塊中的“自定義變量”功能輸入壓力F與電壓U的關系表達式，就可以得到“變量F ”。制作完成的實驗儀器實物圖如圖3所示。

2.3.2? ? 實驗原理

大量程傳感器的工作電壓為5 V直流電壓。在工作電壓一定時，壓力傳感器輸出的電壓信號U與其受到的壓力F成正比，因此可以得到F=kU。連接好線路之后，首先進行電壓調(diào)零，重量為G的實驗人員站立在體重計上靜止不動，電壓傳感器測得此時的輸出電壓為UG，則F=GU/UG。筆者測得當G=550 N時，UG=2.20 V，故關系式F=250U。在朗威DISLab“通用軟件”板塊中的“自定義變量”功能下輸入壓力F與電壓U的關系表達式F=250U，從而完成“變量F ”的定義。然后，在圖像設置中將x軸設定為時間t，y軸設定為壓力F。實驗人員在體重計上做下蹲和起立的動作時，軟件工作界面上可以直觀、動態(tài)地呈現(xiàn)出壓力F隨時間t的變化圖像。

2.4? ? 實驗過程與結果分析

實驗前，按照圖3連接好實驗儀器，打開筆記本電腦上的朗威DISLab“通用軟件”界面，然后打開學生電源開關，在軟件界面設置相關實驗參數(shù)，具體如下：

①自定義變量，輸入F=250*U1 （下標“1”表示電壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器的端口1相連）;②設置采樣頻率為每秒采集50次;③添加圖線，將x軸設定為時間t，y軸設定為壓力F;④點擊“調(diào)零”按鈕后進行數(shù)據(jù)采集，壓力傳感器將采集的數(shù)據(jù)自動記錄在表格中，并實時、動態(tài)地呈現(xiàn)壓力F隨時間t的變化圖像。

2.4.1? ? 演示人蹲下后不動再起立的實驗

人站在自制的體重計上完成下蹲動作后不動再起立，筆記本電腦界面上獲取的圖像如圖4所示。由圖可知，人靜止站立在體重計上時，重量為550 N，在下蹲過程中壓力的示數(shù)先減?。ㄗ钚毫?41 N），再增大（最大壓力為901 N），再減小，最后基本保持550 N不變。由于蹲下后較短時間內(nèi)人體有晃動，所以壓力F呈現(xiàn)微小振蕩變化。人起立過程中壓力的示數(shù)先增大（最大壓力為838 N），后減?。ㄗ钚毫?57 N），再增大，最后基本保持550 N不變。同樣，由于起立后較短時間內(nèi)人體有輕微晃動，所以F有微小振蕩。

2.4.2? ? 演示人蹲下馬上起立的實驗

人站在自制的體重計上完成下蹲動作后馬上起立，此過程中壓力F隨時間t變化的圖像如圖5所示。

由圖5可知，此過程中壓力先減?。ㄗ钚毫?46 N），然后壓力開始增大（最大壓力為1 023 N），此后壓力又開始變小，達到一個最小值188 N后再次變大，最后基本保持550 N不變。

3? ? 實驗儀器的創(chuàng)新點

（1）通過在自制的體重計上體驗下蹲和起立過程，并結合現(xiàn)代信息技術讓學生直觀觀察到壓力變化情況，可以激發(fā)學生的科學興趣，引發(fā)學生思考，讓他們在實踐中體會實驗儀器的設計思路，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，滲透物理核心素養(yǎng)。

（2）相比于傳統(tǒng)的實驗裝置，該儀器充分利用數(shù)字化實驗在實驗測量中的優(yōu)勢，直觀、實時、動態(tài)地呈現(xiàn)出了人下蹲和起立過程中的壓力隨時間的變化情況，學生在此基礎上，可以透徹理解超重和失重，很好地體現(xiàn)了演示實驗應有的價值。

（3）很多學生都容易陷入“下蹲過程只有失重、起立過程只有超重”的誤區(qū)，該儀器可以讓學生深刻認識到下蹲過程是先失重再超重，起立過程是先超重再失重，打破了學生最初的錯誤認知。

4? ? 結束語

本文通過將大量程壓力傳感器與朗威DISLab相結合，設計了一款探究人下蹲和起立過程中超重、失重情況的實驗儀器，設計思想創(chuàng)新，操作便捷，能夠?qū)崟r、動態(tài)地呈現(xiàn)出壓力隨時間的變化圖像，有助于學生直觀形象地理解超重和失重現(xiàn)象，教學效果非常好。此外，該實驗儀器還可以應用于其他物理數(shù)字化實驗中，比如可以用于探究人在電梯中的超重、失重現(xiàn)象以及研究重物下落碰撞時的壓力變化情況。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]馮容士，李鼎.DIS，上海創(chuàng)造——數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)紀實[M].上海：上海教育出版社，2018：63.

[3]章強，龐惠華.核心素養(yǎng)導向下的高中物理課堂教學實踐——以“超重和失重”教學為例[J].物理之友，2017，33（10）：23-25.

[4]應俊.創(chuàng)設教學情境 激活課堂思維 發(fā)展核心素養(yǎng)——以高中物理“超重與失重”教學為例[J].物理教學，2020，42（04）：12-14.

（欄目編輯? ? 劉? ?榮）