車過3種形態橋壓力大小教具的設計與制作

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.032

摘" 要：高中階段借助教具進行物理授課的方式意義重大。該文基于高中向心力內容設計以車過橋為例的壓力演示教具。用軌道和小球分別模擬橋和車，電磁彈射裝置推動小球，讓小球分別過凹形、直形、拱形3種不同形態的軌道。該教具由ATmega328P作為主控芯片，軌道中央放有壓力傳感器用于采集壓力，WS2812B燈帶亮燈數量來表示壓力大小，同時亮燈數量由TM1637數碼管顯示。通過對比小球靜止在軌道中心位置和小球滾過3種形態軌道中心位置的壓力大小，來驗證向心力的存在及相關結論。

關鍵詞：數碼管；燈帶；壓力傳感器；電磁彈射；電路

中圖分類號：TP212" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0１２８-0４

Abstract： The way of teaching physics with the help of teaching aids in senior high school is of great significance. Based on the content of centripetal force in senior high school， this paper designs a pressure demonstration teaching aid taking a car crossing a bridge as an example. The track and the ball are used to simulate the bridge and the car， and the electromagnetic ejection device is used to push the ball through the concave， straight and arched tracks. The teaching aid uses ATmega328P as the main control chip， a pressure sensor is placed in the center of the track to collect pressure， the number of WS2812B lights is used to indicate the pressure， and the number of lights is displayed by TM1637 digital tube. By comparing the pressure of the static position of the ball in the center of the orbit and the position of the ball rolling through the center of the orbit， the existence of centripetal force and related conclusions are verified.

Keywords： digital tube; lamp belt; pressure sensor; electromagnetic ejection; circuit

在物理學中，向心力是一個比較抽象的概念[1]。現階段的向心力實驗多是利用圓錐擺來完成，優點是可以讓學生感受到向心力，缺點是實驗不夠直觀。本文針對此問題設計了以車過橋為例的壓力演示教具，對比車靜止在橋中心位置和車開過凹形、直形、拱形橋中心位置的壓力大小，由此證明車經過橋中心位置時存在向心力；再通過對比車以不同速度過凹形橋、直橋和拱形橋中心位置時的壓力大小來驗證向心力的相關結論。該教具搭建了凹形、直形、拱形3種形態的軌道模擬橋，并用小球模擬“車”。通過彈射裝置，讓相同的小球分別從凹形、直形和拱形軌道滾過。硬件搭建采用ATmega328P作為主控芯片[2]，由TM1637數碼管、WS2812B燈帶、壓力傳感器和推拉式電磁鐵組成[3]。該演示實驗可以證明，車過直橋時不存在向心力；車過凹形橋和拱形橋時存在向心力，并且符合向心力與速度關系公式。

1" 實驗設計

為了讓學生更直觀地觀察車過3種形態橋的向心力[4]，實驗可以圍繞凹形軌道、直軌道和拱形軌道3種不同形態的軌道來展開。使用相同的小球，對比小球靜止在軌道中心位置和小球滾過3種不同形態軌道中心位置時的壓力大小[5]。凹形軌道的向心力向上，由公式Fn-G=■可知，Fn大于G，此時Fn的大小記為Fn凹。直軌道上Fn和G平衡，沒有向心力的存在，所以Fn等于G，此時Fn的大小記為Fn平。拱形軌道的向心力向下，由公式G-Fn=■可知，Fn小于G，此時Fn的大小記為Fn凸。顯然，三種情況下壓力的大小關系是Fn凹gt;Fn平gt;Fn凸。理論上軌道形狀一定，增大小球通過凹形軌道的速度時，向心力增大，壓力增大；增大小球通過直軌道的速度時，沒有向心力，壓力不變；增大小球通過拱形橋的速度時，向心力增大，壓力減小。

裝置下方為WS2812B燈帶和TM1637數碼管，數碼管可以實時顯示燈帶亮燈的數量，亮燈數量的多少可以定性表示壓力的大小。軌道右側為彈射裝置，下方的滑動變阻器可以用來改變彈射裝置的電壓大小。電壓表顯示此時彈射電壓的大小。凹形軌道部分的設計圖，如圖1（a）部分。直軌道部分的設計圖，如圖1（b）部分。拱形軌道部分的設計圖，如圖1（c）部分。分別記錄小球靜止在軌道中心位置時燈帶的亮燈數量和不同彈射電壓下小球滾過軌道中心位置時燈帶的亮燈數量。

2" 系統硬件設計

車過3種形態橋壓力大小教具的系統框圖如圖2所示。制作該教具需要選擇合適的壓力傳感器。壓力傳感器要足夠靈敏，既能測到動態力又能測到靜態力。

2.1" 壓力傳感器的選擇

目前市場上常用的壓力傳感器分為3種：壓電式、電容式和電阻應變式[6]。其中只有電阻應變式壓力傳感器既能測動態力又能測靜止力，傳感器搭配HX711模塊[7]使用。

HX711采集一次的時間為0.012 5 s。為了實驗的準確性，小球滾過壓力傳感器的時間要大于0.012 5 s。凸型軌道的半徑為0.30 m，由公式G-Fn=■可計算出最高點的極限速度為1.76 m/s。再根據可確定與壓力傳感器相連部分的軌道長度至少應為0.022 m。小球由初始位置彈射到軌道最高點的過程中，動能減少，重力勢能增加。該教具選用的軌道高度（h）為10 cm，根據機械能守恒可計算出小球彈射出來的初速度應該要小于2.25 m/s。由于凹形軌道和凸型軌道使用的是同一傳感器，所以凹形軌道中與壓力傳感器相連部分的軌道長度至少應為0.022 m，最短時間為0.012 5 s。凹形軌道最低點的速度應不超過1.76 m/s。小球由初始位置彈射到軌道最低點的過程中，動能增加，重力勢能減少。該教具選用的軌道高度（h）為10 cm，根據機械能守恒可計算出小球彈射出來的初速度應該要小于1.05 m/s。同理，水平軌道中與壓力傳感器相連部分的軌道長度至少應為0.022 m，最短時間為0.012 5 s。所以，小球彈射出來的初速度應該要小于1.76 m/s。

2.2" 顯示裝置

為了放大實驗現象，壓力傳感器采集到的數據需要以一種特定的形式展現出來。綜合考慮，最終選擇了32位的WS2812B燈帶來進行顯示。另外，實驗額外加了TM1637數碼管，用來顯示燈亮的個數。

2.3" 彈射裝置

該演示教具需要小球平穩地滾過軌道，所以選擇推拉式電磁鐵進行實驗。推拉式電磁鐵具有吸附和彈射作用，可以將其應用于凹形、直形和拱形3種不同形態的軌道。

2.4" 主控電路

主控電路的單片機選擇Arduino。Arduino的核心是ATmega328P芯片，其對演示教具起著控制作用。在主控電路中，還需要接2個復位按鈕，用來對數碼管和燈帶進行復位。整個教具統一使用24 V電壓。所以可在主控電路前加一個24 V轉5 V的DC-DC電源模塊。教具的主控電路圖如圖3所示。

2.5" 彈射電路

彈射電路需要滿足2個條件：瞬時彈力和可調電壓。所以實驗選擇LT1083可調穩壓電路搭配電容充放電電路來完成實驗。如圖4所示，KF3為電磁鐵。為了方便觀察輸出部分的電壓大小，KF2部分接電壓表。

2.6" 線性電源

車過3種形態橋壓力大小的教具共有2個電路，主控芯片電路和彈射電路。電源統一使用220 V轉24 V的交流變壓器[8]。

3" 系統軟件設計

該教具的程序框圖如圖5所示。

4" 實物測試

4.1" 實驗定性分析

為了實驗的安全性，可以在0～24 V范圍內改變彈射裝置的電壓來多次進行實驗。將不同質量的小球靜止放置在軌道中心位置時，燈帶的亮燈數量不同。對比表1中的數據，小球質量越大即壓力越大時，對應燈帶的亮燈數量越多。

本實驗選用的小球質量為60 g，且小球靜止在軌道中心位置時，燈帶的亮燈數量為16個。實驗無法避免摩擦力的影響，所以只以小球靜止在軌道中心位置時燈帶的亮燈數量為基礎進行定性實驗。改變電壓，讓小球分別通過相同的路程S，記下對應的T，根據公式V=S/T，可以求得不同電壓下的小球速度。對比表2中的數據，隨著彈射電壓的增大，小球的速度逐漸增大。教具實物如圖6所示。

4.2" 實驗結果

由表3可得，小球滾過軌道中心位置時的亮燈數量多于小球靜止于軌道中心位置時的亮燈數量，說明小球滾過凹形軌道中心位置時存在向上的向心力；隨著彈射電壓的增大，小球速度增大，壓力增大，向心力變大。由表4可得，小球滾過直行軌道中心位置時的亮燈數量等于小球靜止于軌道中心位置時的亮燈數量，說明小球滾過軌道中心位置時不存在向心力；隨著彈射電壓的增大，小球速度增大，壓力不變。由表5可以得出，小球滾過拱形軌道中心位置時的亮燈數量少于小球靜止于軌道中心位置時的亮燈數量，說明小球滾過軌道中心位置時存在向下的向心力；隨著彈射電壓的增大，小球速度增大，壓力減小，向心力變大。

5" 結論

經過實驗設計和實物測試，可以得到以下結論。

1）小球滾過壓力傳感器的時間至少為0.012 5 s才可以采集到數據。

2）對比小球靜止在軌道中心位置和小球滾過3種形態軌道中心位置時的壓力大小可得：小球通過凹形軌道時，存在向上的向心力；小球通過直軌道時，不存在向心力；小球通過拱形軌道時，存在向下的向心力。

3）增大小球通過凹形軌道的速度時，向心力增大，壓力增大；增大小球通過直軌道的速度時，沒有向心力，壓力不變；增大小球通過拱形橋的速度時，向心力增大，壓力減小。

參考文獻：

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[2] 任玲玲，李浪，閆庚龍，等.基于Arduino的藍牙智能避障小車設計[J].電子制作，2022，30（19）：27-30，97.

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[4] 李悶心.“造”實驗儀器“促”創新能力——以“向心力演示儀”為例[J].物理教學，2023，45（2）：25-27，67.

[5] 殷武.超重車過橋安全性分析[J].四川水泥，2019（5）：350.

[6] 李軍.如何科學選擇壓力傳感器[J].工業計量，2014，24（2）：71.

[7] 梁芳芳.基于HX711多功能的智能電子秤的設計[J].工程技術研究，2021，6（15）：136-140.

[8] 趙長偉.線性電源設計與可靠性分析[D].濟南：山東交通學院，2016.

第一作者簡介：張光冉（1998-），女，碩士研究生。研究方向為智能控制與自動化控制。

*通信作者：張偉光（1968-），男，教授，碩士研究生導師，物理與電子工程學院光電工程系主任。研究方向為智能控制產品研發和成果落地。