基于虛擬儀器實現(xiàn)阿基米德原理探究實驗

杜嘉萍，吳先球,b

(華南師范大學 a.物理與電信工程學院;b.物理學科基礎課實驗教學示范中心，廣東 廣州 510006)

阿基米德原理實驗是八年級重要演示實驗，實驗教學需要學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系的原理和方法，學會從數(shù)據(jù)中總結規(guī)律[1]. 傳統(tǒng)與部分改進教學裝置，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]. 在信息技術與中學物理教學相結合的案例中，虛擬儀器因其靈活的“開發(fā)性”和“擴展性”不失為好的輔助工具. 其能瞬時或連續(xù)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可視化方式多樣，同時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驗裝置，實現(xiàn)對儀器的控制和受力數(shù)據(jù)的測量，簡化實驗步驟的同時，提高裝置的可操作性.

1 實驗裝置設計思路

根據(jù)物體受力平衡，傳統(tǒng)實驗器材用測力計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，用測力計測出物體排開液體所受的重力. 基于虛擬儀器技術的阿基米德原理實驗裝置，在傳統(tǒng)實驗器材基礎上做了以下改進：

1)物體升降傳動控制. 借助步進電機與皮帶的傳動裝置，用編程實現(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，解決原實驗存在的操作耗時費力、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，并通過傳感器數(shù)據(jù)采集技術讀取力值取代傳統(tǒng)從測力計上查看示數(shù).

3)程序設計實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理. 利用虛擬儀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理在面板上一鍵達成，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量變化的圖像描述沒有研究，但有關這個過程的習題較多[4]. 針對以上問題，本文利用數(shù)據(jù)瞬時采集特點，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)變化趨勢實現(xiàn)可視化.

5)現(xiàn)象放大. 安裝與裝置連接的攝像頭，實現(xiàn)在計算機上實時監(jiān)控實驗過程，放大演示現(xiàn)象，讓學生能通過用戶界面清晰觀察實驗.

根據(jù)以上設計思路，設計的實驗裝置如圖1所示，使用NI myDAQ板連接計算機和硬件裝置，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，并通過攝像頭將實驗現(xiàn)場情況實時地反饋至前面板，實驗裝置實物圖如圖2所示.

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 實驗裝置實物圖

2 實驗方法

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”選項卡，單擊“開始采集”按鈕開啟數(shù)據(jù)采集. 調整“實驗操作”面板中“改變重物升降高度”值為10 cm，選擇重物運動方向為“下降”，單擊“開始升降”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，點擊“暫停采集”按鈕.

結果顯示，隨著物體浸在液體中體積增大，力傳感器1隨時間的變化曲線呈下降趨勢，近乎同時，力傳感器2隨時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，實驗結果如圖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)驗證阿基米德原理實驗過程中，物體浸入液體每個時刻和狀態(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，在“實時數(shù)據(jù)采集”選項卡，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.

調整“實驗操作”面板中“改變重物升降高度”值選擇1 cm、選擇重物運動方向為“下降”，使重物下降設定高度后自動停止，維持浸在液體中靜止狀態(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“計算F浮”“計算G排”按鈕，該狀態(tài)對應的F浮和G排的數(shù)值通過公式自動計算出來.

再設定“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. 多次重復實驗，數(shù)據(jù)結果證實實驗遵循公式F浮=G排，如圖4所示.

圖4 驗證阿基米德原理公式F浮=G排

以上實驗探究，可以幫助學生了解各力學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量隨時間變化的圖像描述的教學難點. 在F浮=G排的定量驗證實驗中，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)律地遞進變化. 分析數(shù)據(jù)可以增強學生對規(guī)律本質的理解，體會物體在液體中不同浸入體積時各靜態(tài)瞬間公式的適用性.

3 結束語

利用虛擬儀器的自動化和靈活開發(fā)性等優(yōu)勢，實現(xiàn)了阿基米德原理探究實驗的控制、數(shù)據(jù)采集與可視化等功能，提高實驗效率的同時，展示效果和教學效果得到強化. 此外，利用虛擬儀器教學開拓了學生視野，使學生感受科技改善教學的手段，提高信息素養(yǎng). 虛擬儀器與教學的結合應用，給傳統(tǒng)教學設計和實驗運作都提供了嶄新的思路.