电子测力计的设计与应用

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Vo1.34 No.8(2013)物 理 教 师PH Y SICS T EA CH ER第 34卷第 8期2013正电子测力计的设计与应用方红霞(扬州大学 附属 中学 ，江苏 扬州 225002)随着电子技术 日新月异的发展，物理实验教学中传统的测量仪器如天平、弹簧测力计等已经越来越不能满足探究性实验对快速、准确、连续、自动”的称量要求.尤其是当前新型单片机的出现和集成电路技术的发展，对中学物理实验室中的传统测量仪器有必要进行脱胎换骨的改造。

本着这-精神，笔者低价网购到的电子秤，进行适当的改进，变成了电子测力计，并以此代替弹簧测力计，深受学生的喜欢。

1 设计原理电子测力计集传感器技术、电子技术和计算机技术于- 体，能满足探究性实验对快速、准确、连续、自动”的称量要求。

当物体放在秤盘上时，压力使传感器形变，其内部阻抗相应发生变化，导致激励电压的同步变化，对外输出的则是-个变化的模拟信号.该信号经放大电路放大，输出到转换器，转换成便于处理的数字信号，输出到 CPU运算控制器.CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到高亮度的电子显示屏 ，从显示屏上 就能立 即得 到所测力 的大小.它有效地消除人为误差，使之更能符合物理实验定量探究 的要求。

电子测力计 由秤 盘、压块、显示屏、指示灯、功能键、传感器、转换器、信号采集 电路、电源、外壳等部件构成，其中的传感器、信号采集电路、转换器、电源等置于仪器的内部，电源为2节 5号 电池.其 外部 构造 如 图 1所示 。

① 秤 盘：测质量 或重力 或压力时，将物体直接放在秤盘上；② 压块 ：测拉力时，先将压块放在秤 盘上 ，再测拉力 ；③ 显示屏 ：高亮度超大屏幕电子液晶数字显示 ；塑g葜囊焘指N键 键 键划 灯图 1④ 指示灯：由于本仪器可以两用，-可以直接测质量，单位为克，此时克(g)指示灯”亮 ，显示屏显示的是质量数；二可以测力，单位为 N，此时牛(N)指示灯”亮，显示屏显示的是力的大小。

- 是开关键(ON/OFF)，用来开、关电源；二是选择键(MODE g/N)，本仪器有 2个单位可供选择，质量的单位克(g)，力的单位牛(N)，它们之间的换算关系是 1 g-0.0098 N，并与 上述 的 2个指示 灯配合使用。

例如，使用容器称量液体质量时，可以采用去皮键.先将容器放到称盘上，按下去皮键，电子秤就归零了，再 向容器中倒人液体，并将选择键置于单位 g，本仪器就能直接显示液体的质量了；如果要测拉力，先将压块放在称盘上 ，按下去皮键，电子秤就会归零，再将选择键置于单位 N，就能直接显示拉力 的大小。

① 精确：采用高精度传感系统 ，称量精确，误差率在1‰；而且测力计的分度值为 0.001 N，比传统的弹簧测力计的精度提高了 100倍。

② 省电：它能自动调零和自动关闭，具有省电功能；③ 安全：具有过载和低压这二个电池的提示功能，使本测量仪更安全 ；④ 方便：特有的前冲式设计 ，操作和读数都非常方便；⑤ 快速：由于本仪器有去皮功能，在测液体质量时，可以将容器的质量去掉，直接测出液体的质量.在测拉力时，可以将压块的重力 去掉 ，直接测出拉力 的大小。

⑥ 多功能：既能测力，还能测质量；既能测压力(通常的弹簧测力计 不能测压力 )，又能测拉力 (通常 的电子秤 不能测拉力)；3 主要参数(1)量程 (称量 )：1～5000 g或 o.Ol～49 N。

(3)仪器尺寸：高：2.5 cm，长：24 cm，宽：17.5 cm，自身质量 ：580 g。

在测液体的质量时，选择键置于质量的单位 g，g指示灯亮.将烧杯放在测力计上去皮 ，再倒人被测液体，本测力计就能直接读出液体的质量.在验证牛顿第二定律、动能定理、动量定理等实验时，本测力计可以代替托盘天平快速测出小车、气垫导轨上的滑块、沙桶的质量.在测冰的熔解热的实验中，可按下列步骤进行操作：先将量热器的内桶放在电子秤上，测出内桶的质量 m ，然后将内桶放人外桶中，重新放在电子秤上，按归零键去皮；再倒入温度较高的水直接测出热水的质量 Tr/ ，再按归零键去皮；最后放入冰块，直 接测 出冰块的质量 m。，就可 以节受多实 验时间。

第 34卷第 8期2013在物 理 教 师PHYSICS TEACHERVo1.34 No.8(2Ol3)(2)直接测拉力。

将压块放在电子测力计上，如图2所示.选择键 置于力 的单位 N上 ，N指示灯亮.按动去皮键，就能在显示屏上直接显示拉力 F的大小。

(3)直接测摩擦力. 图 2设计图 3所示 的装置可 以精确地测出滑动摩擦力 厂的大小.用力 F向右拉长板，使其与物体之间相对滑动，它无需考虑长板是否匀 速，保证物体相对静止 ，利用上述测拉力的方法，在显示屏上直接显示滑动摩擦力的大小。

设计图 4所示的装置可以精确地测出向心力大小.物体静止时电子秤的示数为 m。，物体随滚珠圆盘-起作匀速圆周运动时，在显示屏上直接显示滑动摩擦力的大写向心力 的大小。

利用图 4所示装置，可以定量探究影响向心力大小的因素.利用控制变量法将测得的向心力填人如表 1～3中。

并根据表格中的数据，分别画成函数图像，如图 547所示。

表 1 转动半径 r-0.3 m，周期 T-1.32 S实验序号 小车质量 m/kg 向心力 F/N1 0.O6O O.392 0.110 0.713 O.16O 1.O34 O.21O 1.355 O.26O 1.676 O.31O 1.99表 2 质量 m- 0.21 kg，周期 T-1.32 s实验序号 转动半径 r/m 向心力 F/N1 O.4O3 1.822 O.362 1.633 O.314 1.424 O.267 1.2O5 0.198 0.896 O.145 O.65表 3 质量 m-0.11 kg，转动半径 r-0.3 m序号 w/rad·S- Ⅲ /rad ·S- 向心力 F/N1 1.57 2.465 O.O72 1.79 3.2O4 0.103 2.09 4.368 O.134 2.51 6.300 O.195 3.14 9.86O O.296 4.18 17.472 O.527 5.98 35.76O 1.15图 51.21.00.80.6O.4O.2O1.21.O1.81.61.41.2O图 6由图 5可知，向心力 F的大小与物体的质量m 成正比；由图 6可知 ，向心力 F的大小与转动半径 r成正比；由图 7可知 ，向心力 F 的大小与角速度 的平方 c， 成正 比。

综上所述，可得 出结论：物体做匀速圆周运动时所受向心力 F，与物体的质量 m 成正 比，与转动半径 r成正 比，与角速度的平方 成正 比，即 F-kmrwz.将表 格 中的相关数据代人该式，可计算出 k在 0.95左右，小于 1且接近1，分析其原因是由于摩擦力不能完全忽略以及其他测量数Vo1.34 No.8(2O13)物 理 教 师PHYSICS TEACH ER第 34卷第 8期2013年焦耳定律演示实验的改进朱传华(苏州市高新区东渚中学校，江苏 苏州 215163)焦耳定律是初中物理教学的-个非常重要的验证性演示实验，苏科版教材先后采用了两种实验方案，-是在两个串联的阻值不同的螺旋状电阻丝中间插-个火柴头，通过观察哪个火柴头先被点燃来比较电流通过电阻丝时产生热量 的多少.但 这个实 验设计 有不 足之 处 ，就是 火柴头插在电阻丝中间只能吸收相邻几圈电阻丝产生的热量，而不能吸收全部电阻丝产生的热量 ，如果用横截面积相同而长度不同的电阻丝来进行实验，就会发现两个火柴头几乎同时被点燃，因而无法得到通电时间和电流相同时电阻越 大 ，电流产生 的热量越多的结论。

后来教材改版时对实验进行了改进，通过比较质量相同的同种液体升高的温度来比较电流产生热量的多少.具体的实验方案是将两个阻值不同的电阻丝放在两个装有相同质量的煤油的锥形瓶中，在瓶口的单孔塞中插入温度计.这样设计能够较好地定量研究电流产生的热量与电流、电阻和通电时间的关系，但笔者认为仍有-些不足之处，例如，① 所需加热时间较长，尽管教材中用体积较小的锥形瓶代替以前常用的烧瓶，但实验下来时间仍然较长，学生在较长的等待中精力容易不集中，不利于课堂教学。

② 可视性不强，温度计示数上升这-现象只有前排学生才能看见，后排学生很难看清楚。

为 了增强实验 的可视性和缩短 实验时 间，不少 人对这- 实验进行了改进 ，例如加热煤油换成加热空气，通过空气受热膨胀后观察气球的体积大序者与密封空气盒相连的u形管中液面的高度来 比较相同时间内电阻丝产生热量的多少，但这个方案对装置的气密性要求较高，如J2375焦耳定律演示器在放置时间长后密封圈即出现老化 ，使得实验无法成功.为 了克服 以上 问题 ，笔者在 教学过程中尝试对这-实验再次进行了改进，取得了很好的演示效果 ，改进方案如下。

1 器材选择发热 电阻丝 的选 择 ，用 的是实验室废弃的滑动变阻器，将上面的电阻丝截取-段，在金属杆上绕制而成，-个绕得密-些，-个绕得疏-些，并保证总长度相 同(约 2 cm)，示意图 1图如图 1所示。

被加热物质的选择，用的是普通的餐巾纸，将餐巾纸剪成宽度与电阻丝长度相同的纸条两张，用时分别在两个电阻丝外包裹两层即可。

电源的选择 ，用的是实验室配备的有过载保护的教学电源。

2 实验操作(1)将绕制的两个电阻丝(分别记为 R 、Rz)串联，给学生看两个电阻丝的疏密，比较电阻大小(R >Rz)，然后将剪好的两张相同的餐巾纸分别缠在电阻丝上，用导线开关连接到教学电源上，闭合开关，调节电源的输出电压至5 V，通电时间至 4O～50 S时即可看到电阻R 上的餐巾纸开始冒白烟，继而有红色火焰，直至烧尽之后 Rz上才开始有白烟产生.说明在电流和通电时间相同时，电阻越大，电流产生 的热量越多。

(2)同上次实验-样将电阻丝缠上餐巾纸后接入电路，调节电源输出电压为 2 V，以减小通过电阻丝的电流，通电2 rain后餐巾纸仍未被点燃，说明电阻和通电时间相同时，电流越小，电流产生的热量越少.(说明：因实验中电流较大，超出了滑动变阻器允许的最大电流，因此设计实验时没有采用串联-个滑动变阻器来改变电路中电流的方法.)3 改进后的优点(1)可视性强.实验中冒白烟和红色火焰的现象后排学生都能清楚地观察到，如果衬上黑色的底板，现象更加明显，比原来观察 温度计 中示 数的变化要更加 容易观察到。

(2)节省实验时间.改进后-次实验只需 1～2 min，提高了课堂效率，避免了学生长时间的等待，使课堂教学过程更加容易掌控。

(3)操作简单，实验前只要剪好餐 巾纸包裹在电阻丝上即可，餐巾纸完全燃烧后要重复实验只需稍等片刻，待电阻丝冷却再将餐巾纸包裹上即可。

(4)所需器材简单易得.改进的实验所需的主要就是电阻丝和餐巾纸，都是实验室和生活中极常见随手可得的东西，且代价很小。

(收 稿 日期 ：2013-03-27)据的误差所致.取理想数据 1，可得出计算向心力的公式 F-/7/yO 。

上述的 3个探究性实验，尤其是定量探究影响向心力大小因素的实验，如果没有电子测力计的加盟，是不可能成功得 出的，因 为所 测 得 的 向心 力 太 小，小 的 只有O.074 N，尤其是探究向心力与角速度的平方关系，弹簧秤是无 法完成 的. (收稿 日期 ：2012-ll～18)