探究“蹲下站起”過程 演示“超重失重”實(shí)驗(yàn)
——“數(shù)字化”體重計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與發(fā)明

陳顯盈 尤愛惠 謝作如

(1. 浙江省溫州中學(xué)，浙江 溫州 325000； 2. 溫州市南浦實(shí)驗(yàn)中學(xué)，浙江 溫州 325000)

“物理發(fā)明”是根據(jù)已有的物理知識(shí)和實(shí)際能力，在學(xué)習(xí)(特別是物理學(xué)習(xí))、生活、工作和勞動(dòng)中，對那些感到不方便、不稱心的物體或過程加以改進(jìn)、改革和創(chuàng)新的物體或方法.在物理教學(xué)中滲透“物理發(fā)明”內(nèi)容不僅符合STEAM的教育理念，也有利于學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).為了解決普通體重計(jì)在超、失重實(shí)驗(yàn)中效果不明顯直觀的問題，筆者根據(jù)大量程壓力傳感器和實(shí)驗(yàn)室配套的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)發(fā)明了一款適合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的大量程“數(shù)字化”體重計(jì).

1 發(fā)現(xiàn)問題——普通體重計(jì)存在不足之處

圖1 體重計(jì)上的超失重現(xiàn)象

如圖1所示，人站在普通體重計(jì)上進(jìn)行蹲下和站起動(dòng)作來研究超重和失重現(xiàn)象時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象稍縱即逝，無法進(jìn)行仔細(xì)觀察，且不能動(dòng)態(tài)顯示力F隨時(shí)間t的變化曲線.目前生活中很難找到可以直接動(dòng)態(tài)顯示力F隨時(shí)間t的變化曲線的體重計(jì)產(chǎn)品，而教學(xué)中現(xiàn)有配套的力傳感器量程較小，一般只有幾十牛，遠(yuǎn)小于人體的重.實(shí)際上，市場上有很多量程較大的的壓力傳感器，如何將該類大量程壓力傳感器和原實(shí)驗(yàn)室配套的物理數(shù)字化系統(tǒng)(DIS)相結(jié)合設(shè)計(jì)發(fā)明出一款大量程“數(shù)字化”體重計(jì)呢？

2 分析問題——大量程壓力傳感器與數(shù)字化系統(tǒng)如何兼容

如圖2所示，現(xiàn)在淘寶網(wǎng)上有一些高速響應(yīng)的壓力傳感器，[1]其最大量程在500 N到50000 N不等，它能夠快速感測各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)壓力的大小并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出.

圖2 淘寶上的大量程壓力傳感器

該類壓力傳感器與數(shù)字化系統(tǒng)是否兼容需要考慮以下幾個(gè)問題：[2](1) 供電電壓是否匹配問題？大量程壓力傳感器供電電源可與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電電源獨(dú)立開來，由外接電池提供.(2) 輸出信號(hào)如何識(shí)別問題？力傳感器輸出信號(hào)一般是電壓信號(hào)，可以用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的電壓或微電壓傳感器對其輸出電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別.(3) 電壓輸出信號(hào)參數(shù)是否匹配問題？對于壓力傳感器的輸出信號(hào)電壓一般是mV數(shù)量級(jí)，可采用微電壓傳感器.(4) 電壓信號(hào)電壓U0如何轉(zhuǎn)化為壓力F的大小顯示值問題？一般可通過數(shù)字化系統(tǒng)“通用軟件”中的“自定義變量”功能中輸入F和U0的關(guān)系式即可得到“變量F”(像朗威、正方體等品牌均有該功能).

3 解決問題——“數(shù)字化”體重計(jì)的制作思路與發(fā)明原理

3.1 制作思路

圖3 “數(shù)字化”體重計(jì)的實(shí)物圖

需準(zhǔn)備的器材： ① 大量程壓力傳感器.筆者選用的是一款最大量程為2000 N、直徑為5 cm的壓力傳感器.② 兩片邊長為25×30 cm的長方形透明厚有機(jī)玻璃板.將其分別用螺紋固定在壓力傳感器的上下表面，方便踩腳.③ 供電電源.可選用一節(jié)9 V電池為壓力傳感器直接供電.④ 微電壓傳感器和無線發(fā)送器.其實(shí)時(shí)高速測量的數(shù)據(jù)可直接無線傳送給無線數(shù)據(jù)采集器和平板電腦.⑤ 其他配套儀器：無線數(shù)據(jù)采集器及帶數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件的平板電腦等.

組裝時(shí)，將電池、微電壓傳感器、無線發(fā)射器連接完畢后固定在兩長方形透明厚有機(jī)玻璃板之間，安裝完畢的“大量程數(shù)字化體重計(jì)”實(shí)物圖如圖3所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)再結(jié)合無線采集器和帶數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件的平板電腦進(jìn)行操作即可.

3.2 發(fā)明原理

如圖4所示，大量程壓力傳感器供電電壓由1節(jié)9 V的電池提供，用實(shí)驗(yàn)室原配套的微電壓傳感器對壓力傳感器的電壓輸出信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并無線傳送給計(jì)算機(jī).在電源電源一定時(shí)，壓力傳感器輸出信號(hào)電壓U0與其所受壓力F成正比，可得F=kU0.連接好線路好后，一個(gè)已知重量為G的人站上去靜止不動(dòng),測得此時(shí)的電壓為UG，則F=GU0/UG，其中G、UG可以通過實(shí)驗(yàn)得到.筆者通過實(shí)驗(yàn)可測得當(dāng)G=640 N時(shí)，UG=4.28 mV，可得關(guān)系式F=150U0.通過數(shù)字化系統(tǒng)軟件的“自定義變量”功能輸入該關(guān)系式F=150U0便可得到“變量F”，從而可以顯示F的大小，又可以通過“圖像”功能設(shè)置動(dòng)態(tài)顯示F-t圖像.

圖4 “數(shù)字化”體重計(jì)的原理示意圖

4 實(shí)驗(yàn)研究——“蹲下站起”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)器材，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖連接器材.接通電源并打開數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通用軟件界面(筆者采用正方體品牌)，需設(shè)置的軟件參數(shù)： (1) 微電壓傳感器：設(shè)置最大量程為25 mV，每秒采集50次； (2) 自定義變量：輸入F=150*“電壓”； (3) 圖像：設(shè)置F-t圖像； (4) 傳感器調(diào)零后開始采集：開始做實(shí)驗(yàn)，傳感器開始自動(dòng)采集并記錄數(shù)據(jù)在表格中并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示F-t圖像.具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)1： 蹲下后不動(dòng)再站起的實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)時(shí)，人站在“數(shù)字化”體重計(jì)上完成蹲下動(dòng)作后不動(dòng)再站起的動(dòng)作，觀察計(jì)算機(jī)采集的圖像，某次實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.圖5前半部分直觀地呈現(xiàn)了蹲下過程中壓力傳感器的示數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，人的重量為640 N，在蹲下過程中示數(shù)先變小(最小286 N)，后變大(最大946 N)，再變小，最后基本保持640 N不變.圖5后半部分呈現(xiàn)的是站起過程中的變化曲線，示數(shù)先變大(最大為1035 N)，后變小(最小241 N)，再變大，最后基本保持640 N不變.

圖5 蹲下后不動(dòng)再站起的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：蹲下后馬上站起的實(shí)驗(yàn).

如圖6所示，重量為640 N的人站在“數(shù)字化體”重計(jì)上完成蹲下動(dòng)作后馬上站起的動(dòng)作，壓力傳感器的示數(shù)先變小(最小301 N)，后變大(最大1017 N)，再變小(最小418 N)，接著再變大，最后由于人有晃動(dòng)，在640 N附近有微小振蕩變化.

圖6 蹲下后馬上站起的實(shí)驗(yàn)

5 總結(jié)歸納——“數(shù)字化”體重計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

可見，大量程“數(shù)字化”體重計(jì)，作為一種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)用儀器，將大量程壓力傳感器與物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相結(jié)合，原理巧妙，操作方便實(shí)用.改進(jìn)后的體重計(jì)不僅有效解決了現(xiàn)有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室中壓力傳感器量程小的問題，還可以定量探究人體蹲下和站起過程中的超、失重現(xiàn)象，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示F-t圖像，有利于學(xué)生直觀形象地認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象.另外，大量程“數(shù)字化”體重計(jì)還可以應(yīng)用到其他物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，可以定量研究人站在電梯中的超、失重實(shí)驗(yàn)，也可以定量研究舉重過程的壓力變化情況，還可以研究重物下落碰撞時(shí)的壓力變化情況等各種需要用到大量程壓力傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn).