低成本迷你電子秤在物理實驗中的應用
基 于 高 精 度的 廉 價 家 用 迷你 電 子 秤 而 設計 了 幾 個 創(chuàng) 新實 驗 裝 置 , 不 僅 簡 單直 觀 , 還 有高 精度 數字化 測量 的 特 點 。 幾 個 實 驗裝 置 分別為 “ 用 迷你 電 子秤 顯示 熱脹 冷 縮 和 微 小 形 變 ” “ 用 迷你 電 子秤 探 究電荷 間 的 作 用 力 ” “ 用 迷你 電 子 秤 演 示 超重 與 失重 現 象” 。
科學 發(fā)展 日 新 月 異 , 很 多 物美價 廉 的 新 型 電 子 測量設備不 斷涌現 , 給我們 日 常 生活 帶來 了 極大 便利 ,也給物 理 實驗 改進 提供 了 新 思 路 和新手段。迷你電子秤就是其中很有代表性的一款產品。
小編近年來 積極 應用迷 你電 子秤來創(chuàng)新改 進物 理實驗 , 取 得 了 一定的成果。現把幾個應用迷你電子秤的改進實驗介紹如下,以期和各位物理同仁共同努力,創(chuàng)新改進中學物理實驗教學。
一、迷你 電 子 枰及 拆解 分離 傳感器
如圖 1 所示 為目 前 淘寶 網 售 的 兩款迷你電子秤及其拆解圖式, 其 大小 和 常 見 的4寸屏智能手機差不多,相當迷你。其中 量程 5 00 g精度0.1g的銷價約16元,量程10g,精度0.001g的售價約60元。不僅發(fā)現這種電 子 秤價格 低廉 , 而且精 度較 高 ,特別是精度度0 . 0 0 1 g 的迷你電子秤,完全可以應用于要求精度較高的物理實驗中。
觀察迷你電子秤拆解后的內部結構,可以欣喜地發(fā)現“ 力 傳感器 ” 和 “ 電 路板及顯 示 部分 ” 是可 以 分 離的, 它們 之間僅 僅通過 4 根 軟導 線 相 連接 。 只 要 換 用 4根足夠長 的 軟導線 , 就 能把“ 力 傳感 器 ” 從迷 你 電 子秤分離出來。
為什 么 要 把傳感 器 單獨分離 出 來 呢?因為很多物理實 驗 中 傳感器需要和 研 究一 起 運 動 , 而力的大 小必 須通 過靜止的顯示器才能看得清楚。
可能有的 老師會擔心換 用較 長的 軟導線 后,其電阻阻會不會對測量結 果產生影響 ?較長軟導線更 易 受到夕卜 界 電磁 干擾而會不會影響精度?小編經過實際測量對比,發(fā)現以上擔憂完全沒有必要。一個原因是該迷你電子秤有去皮置零功能,第二個原因是軟導線中傳輸的是較強的直流信號,受外界雜散電磁場的影響極小。
二、實驗改進案例
1.用迷你電子秤顯示熱脹冷縮和微小形變
電子秤中的力傳感器工作原理是受到壓力使得傳感器發(fā)生微小形變,從而引起電阻明顯變化,該電阻變化可以精準地被電路檢測出來,該傳感器非常靈敏,微米數量級的形變就能引起讀數顯著變化,其靈敏度明顯比傳統的指針式放大微小量以及光放大微小量更高。
如圖2所示為用迷你電子秤演示熱脹冷縮裝置。如圖 2 所 示為 “ 用 迷 你 電子 秤 演 示
熱 脹 冷 縮 ” 裝置。 做 一個較 堅 固 的 木底 座 , 用 固 定 夾 把 迷你 電 子秤豎立 固定在左端 。底座右側鉆一個 孔 可 以 讓金屬 桿通 過 , 調節(jié)金 屬 桿使得 其 左 端 剛好輕輕碰觸到電子秤的秤盤,用旋 緊 桿 把金屬桿牢牢 固 定 。 首先按 “ 去皮清 零” 鍵使得讀數為 零, 然 后用蠟 燭燒烤金 屬 桿。不一會兒,可 以 看到 電 子秤讀數快速變大甚 至 超 出 量 程, 撤去蠟燭, 又會看 到 讀數慢慢變小。
小編實驗中發(fā)現,甚至冬天僅僅用 手握 緊 金 屬 桿 , 就能使 得電 子秤讀數明顯變大,
太靈敏了。
如圖3所示為用迷你 電 子 秤演示 微 小形變,裝置。該裝 置 可 以 把一塊較短較厚 的 高密 度纖維板的形變放大得非常清晰,而進 行 對 比 實驗的激光微小形變演示儀側不能明顯顯示出來。
要注意高密度纖維板不能直接和0.001g的電子秤秤盤接觸,否則系統稍有震動,就會使得電子秤超量程。解決 的 辦法 是在二 者 之 間 墊一 層 泡沫板, 就足夠把 微小形變產生 的 壓力 傳遞 給電 子 秤。同樣在 用力 按壓纖維板前 需要 對 電 子秤進行去皮清零 。
2.用迷你電子秤探究 點 電 荷 間的作用力
通常 兩個帶電小球的 作 用力 非常微小,難以用實驗用測力計去測量,故一些相關改進實驗都采用了杠桿或扭秤等靈敏裝置去間接測量。其實,采用精度為0.001g的迷你電子秤,完全可以直接測量庫侖力并直接顯示。
滑動鎖定裝 置 上 下 移動 。 將精度 〇. 00 1 g 的 電 子 秤放在底座 上 ,金屬 球 A 通 過絕 緣桿 用萬能膠固定在秤盤上。這樣, 整個裝 置 就做好 了 。
特別注意的是,兩個金屬球要完全一樣,并盡量選擇質量小的,否 則 電 子砰 會因 超量程 而 報 錯,因為清零后量程只有10g,此外兩個小球,筆者采用直徑3cm空心塑料小球表面貼上錫箔做成。絕緣桿采用圖書館裝訂機用的5mm粗細的熱熔管,整體質量在6g左右。
首先讓電 子秤去 皮清零 , 然 后用范 氏 起電 機使兩小球帶電,迷 你 電子秤樣 立 即 就 顯示 讀數 了 。讓金屬小球B靠近A,可觀察到讀數越來越大,并 可 發(fā)現距離變?yōu)橐话霑r,讀數約變?yōu)?/span>4倍,用分電球把小球A的電量分去一半,又可發(fā)現讀數也約變?yōu)橐话搿?/span>
本裝置 可 以 簡單快 速 直 觀 地 定 性探究庫侖力大小,但定量 探究較為 粗略 ,誤差在10%-20%之間,筆者多次改進裝置和實驗均不能使誤差明 顯減小。筆者認為誤差來源主要 為兩球 間 距 較小時互 相 影響 使得 電荷重新分布,不能再視 為電荷了。但如距離很大或小球太小又會引起庫侖力太小而無法測量,且距離太大受外界雜散電場和電荷的影響也將不可忽視。
3.用迷你電子秤演示超重與失重現象
在電 梯底 部 即 可 。
兩塊緩 沖海綿 的 作 用是確保萬一電梯來不及減速與 裝置底座或 木 盒起緩 沖 作用 。先讓 電 梯靜止懸空 在最低點 , 此 時觀察 顯示器讀 數并記 錄 , 可發(fā)現讀數 N=mg。然后 把 調速旋鈕快速固 定在 某一較小位 置 , 電 梯 短 暫加速后 做勻 速 運動, 提醒 學生 觀 察 勻速時的 顯 示器讀 數 , 可發(fā) 現 仍 有N=mg.在最低點時緩慢調速旋鈕,電 梯即 向上加速,可發(fā)現讀數N?mg,加速運動到中間高度附近再緩慢反向轉動調速旋轉,電機即向上減速,此時,讀數N
需要注意的是,如條件允許,豎直支架越高越好,這樣演示過程時間較長,便于觀察研究。另外,當電梯接近最高點或最低點時要 快速反 轉調速旋鈕 至 零 ,讓電梯較快停 止 以 避免猛 烈撞擊 。