基于傳感器的凹凸橋實驗儀*

江 華 謝 嬌 張 勇

(重慶市潼南中學校 重慶 402660)

1 概論

凹凸橋這一知識點是人教版必修二圓周運動部分的重要內容，也是考試的重要內容，更是日常生活中常見的橋模型，是生活中的重要常識.凹凸橋理論的學習可以促進學生對生活中各種橋原理的理解，也可以促進學生在生活中對凹凸橋理論的運用.凹凸橋教學模型的演示對學生理解凹凸橋理論有著很大的幫助，但傳統(tǒng)實驗室中的凹凸橋演示器只能定性地觀察和分析，并不能夠定量地實驗和分析.為了彌補這一不足，筆者團隊在傳感器的基礎上，認真研究制作了能夠定量實驗的凹凸橋演示儀.現(xiàn)將具體情況介紹如下.

2 傳統(tǒng)實驗儀的實驗方法及不足

2.1 第一類凹凸橋實驗演示器

2.1.1 儀器介紹

一般實驗室的凹凸橋演示器，如圖1所示，是泰州市永創(chuàng)教學儀器有限公司生產(chǎn)的凹凸橋演示器.該儀器由塑料、木質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螺母進行調節(jié).

圖1 實驗室內凹凸橋演示器

2.1.2 使用方法介紹

實驗時，將金屬小球分別放到導軌的最低點，調節(jié)兩螺母到適當位置，讓小球放在導軌最低點時，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)小球在運動到最低點時會從縫隙掉下.這一現(xiàn)象說明小球過凹形橋的最低點時對軌道的壓力大于小球本身的重力，超重.

將金屬小球放到導軌的最高點，調節(jié)左邊螺母，使狹縫變小，調節(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)小球通過凸形橋時不會掉下.這一現(xiàn)象說明金屬小球通過凸形橋最高點時對軌道的壓力小于本身重力，失重.

2.1.3 優(yōu)點和不足

該儀器能夠較好地將金屬小球通過凹凸橋時的超重、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

這兩個力學關系.

2.2 第二類凹凸橋實驗演示器

2.2.1 儀器介紹

如圖2和圖3所示，該實驗演示器為湖南津市一中物理組教師共同研制，由木質結構、薄鐵片、電路、燈泡等器材構成.該演示器原理為：利用小球經(jīng)過軌道最高點和最低點時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，調節(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，調節(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)通過最低點時，Ⅰ燈亮了，而通過最高點時Ⅱ燈未亮，這說明金屬球在最低點時對軌道的壓力大于重力，超重；當小球通過最高點時，Ⅱ燈不亮，說明金屬球通過凸橋最高點時對軌道的壓力小于重力，失重.

2.2.3 優(yōu)點和不足

3 創(chuàng)新實驗器材介紹

3.1 實驗器材結構

運動物體(即研究對象)為直徑d=50 mm左右的實心金屬球，實驗室里的一般金屬小球因其質量太小，通過凸橋時實驗現(xiàn)象不明顯，誤差較大.

實驗裝置如圖4所示，一金屬制作的導軌，導軌寬度略大于所選金屬小球的直徑.利用支架將導軌固定在一板上，導軌的下凹處和上凸處制成半徑r=0.5 m的圓弧狀.在凹橋的最低點和凸橋的最高點分別切下寬度約為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)，以小球通過接縫時無碰撞、無頓挫為達標標準，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光電門.特別強調，塑料導軌因其材料的局限性，不太容易達到接縫處的平滑相接，導致實驗誤差變大，所以導軌不建議使用塑料材質.

圖4 基于傳感器的凹凸橋演示器

圖5 測量位置細節(jié)圖

該實驗還需要與力學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 實驗步驟

(1)安裝實驗器材.調節(jié)實驗儀器水平、實驗軌道豎直，打開DISL軟件，連接光電門電路.

(2)調節(jié)實驗器材.調節(jié)金屬片a,b的高度，使金屬球通過接縫時無碰撞、無頓挫，調節(jié)好后用螺母將傳感器固定于立柱上.

(3)測量金屬球重力.對傳感器調零，再將金屬小球靜止放在a金屬片上，記錄此時力傳感器顯示的數(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，通過光電門的時間ta,tb，及兩力傳感器的最大力Fa,Fb.

(6)改變小球釋放地點及小球的大小，重復進行(3)、(4)、(5)步操作，再次驗證實驗結果.

(7)總結結論.

3.3 傳承與創(chuàng)新

該儀器在傳統(tǒng)凹凸橋造型的基礎之上進行了適當?shù)母倪M，傳承了傳統(tǒng)凹凸橋的基本結構，仍然利用傳統(tǒng)實驗所研究的凹橋最低點和凸橋最高點進行實驗研究.同時本儀器在傳統(tǒng)實驗的基礎上，借助現(xiàn)在科技進步所帶來的新器材，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動過程中小球對軌道彈力大小,彌補了前輩無法準確測量運動過程中物體產(chǎn)生的彈力的不足；利用光電門測量運動物體速度這一特點，彌補了前輩不方便測量曲線運動物體速度這一遺憾.因此，本實驗器材的優(yōu)點就是:

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

該實驗在測量小球速度時，因為小球的直徑較大，所以測量誤差較大，增大了整體實驗的誤差.改進方法為：制作一個密度更大的小球，使其質量較大而直徑較小.同時，a，b金屬片與導軌平滑相連的調節(jié)難度較大，需要改進.

4 結束語

凹凸橋這部分內容是對向心力知識的運用，學生對這部分內容的理解可以促進其對向心力知識的理解，也使學生能夠將學習的物理理論知識運用到生活中去，真正做到學以致用.同時該實驗的完成對《物理課程標準》核心素養(yǎng)要求的落實，有促進作用.希望這個儀器能對學生掌握知識、培養(yǎng)能力有幫助，對教師的教育教學工作有幫助.