用微型电子秤改进物理实验，本文主要内容关键词为：物理实验论文,电子秤论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科技发展日新月异，很多物美价廉的新型电子测量设备不断涌现，给人们日常生活带来了极大便利，也给物理实验创新提供了新思路和新手段[1]。微型电子秤就是其中很有代表性的一款产品。 笔者近年来积极应用微型电子秤创新改进中学物理实验，取得了一定的成果。现将几个应用微型电子秤的创新实验介绍如下，以期和各位物理同仁共同努力，创新改进中学物理实验教学。 一、微型电子秤及拆解分离传感器 图1所示为目前在售的两款微型电子秤及其拆解图片，其大小和常见的4寸屏智能手机差不多，相当微型。其中量程为500g、精度为0.1g的售价16元/台；量程为10g、精度为0.001g的售价60元/台。可以发现它们不仅价格低廉，而且精度较高，特别是精度为0.001g的微型电子秤，完全可以应用于精度很高的物理实验。
在观察微型电子秤拆解后的内部结构时，笔者欣喜地发现“力传感器”和“电路板及显示部分”是可以分离的，它们仅仅通过4根软导线相连接。只要换用4根足够长度的软导线，就能把“力传感器”从微型电子秤中分离出来。 为什么要把传感器单独分离呢？因为很多物理实验中的传感器需要和研究对象一起运动，而力的大小必须通过静止的显示器才能看清楚。 可能有的教师会担心：换用较长软导线之后，导线电阻会不会对测量结果产生影响？较长软导线更易受到外界电磁干扰会不会影响实验测量精度？笔者经过实际测量对比，发现以上担忧完全没有必要，一是该微型电子秤有“去皮清零功能”，二是软导线中传输的是较强的直流信号，受外界杂散电磁场的影响极小。下面笔者介绍3个应用微型电子秤的创新实验。 二、用微型电子秤显示热胀冷缩和微小形变 电子秤中的力传感器工作原理是受到压力使得传感器发生微小形变，从而引起电阻明显变化，该电阻变化可以精确地被电路检测出来。该传感器非常灵敏，微米数量级的形变就能引起读数显著变化，其灵敏度明显比传统的“指针放大微小量以及光放大微小量”更高[2]。 下页图2为“用微型电子秤演示热胀冷缩”装置。事先做一个结实的木质底座，用固定夹把微型电子秤（0.1g精度即可）竖直固定在左端。在底座右侧钻一个可以让金属杆通过的孔，调节金属杆使得其左端刚好轻轻碰触到电子秤的秤盘（此时电子秤读数要尽量小），用旋紧杆把金属杆牢牢固定。首先按“去皮清零”键使得读数为零，然后用蜡烛烧烤金属杆。不一会儿，就可以看到电子秤读数快速变大甚至超出量程，撤去蜡烛，又会看到读数慢慢变小。笔者在实验中还发现，冬天甚至只要用手握紧金属杆，就能使得电子秤读数明显变大，十分灵敏。
图3为“用微型电子秤演示微小形变”装置。该装置可以把一块较短较厚的高密度纤维板的形变放大得非常清晰，而进行对比实验的“激光微小形变演示仪”则不能明显显示出来。
要注意高密度纤维板不能直接和0.001g精度的电子秤秤盘接触，否则只要系统稍有振动，就会使得电子秤超出量程。解决办法是在二者之间垫一层泡沫板，这样就足够把微小形变产生的压力传递到电子秤上了。同样在用力按压纤维板前需要对电子秤进行去皮清零。 三、用微型电子秤探究电荷间的作用力 通常两个带电小球间的作用力非常微小，难以用常见的测力计去测量，故一些相关创新实验都采用了杠杆或扭秤等灵敏装置去间接测量[3]。其实，采用精度为0.001g的微型电子秤，完全可以直接测量库仑力并直观显示。 如图4所示，做一个高度约为50 cm的木支架（不能用铁架台等金属支架，会被带电小球影响而产生静电感应，从而彼此影响），上面贴上一条软刻度尺，确保零刻度和金属球A的球心等高。金属球B可以通过一个滑动锁定装置上下移动。0.001g精度的电子秤就放在底座上，金属球A通过绝缘杆用万能胶固定在秤盘上。至此整个装置就做好了。 特别要注意两个金属球应完全一样，并尽量使其质量小，否则电子秤会超过量程而报错，因为清零后量程只有10g。此处两个小球笔者采用直径为3 cm的空心塑料小球表面贴上锡箔纸而做成，绝缘杆采用图书馆装订机用的5 mm粗细的热熔管，整体质量约为6g。 首先让电子秤去皮清零，然后用范氏起电机让两球带电，这样微型电子秤马上就显示读数了。让金属球B靠近A，可见读数越来越大，并可发现距离变为1/2时，读数粗略变为4倍；用分电球把球A的电量分去一半，可发现读数也粗略变为一半。
该装置可以简单快速直观地定性探究库仑力大小，但定量探究较为粗略，误差在10%～20%之间，笔者多次改进装置和实验均不能使误差明显减小。笔者认为，误差来源主要为两球间距较小时互相影响使得电荷重新分布，而不能再视为点电荷了。但如果距离很大或小球太小，又会引起库仑力太小而无法测量，且距离太大易受外界杂散电场和电荷的影响，这一点也不可忽略。 四、用微型电子秤演示超重与失重 用微型电子秤也可以直观地演示超重与失重现象。63页图5中的支架高为2m左右，可确保超重或失重现象维持时间较长。模拟电梯用减速电机牵引，通过调速电路可调节减速电机工作电压，从而改变速度。注意一定要采用减速电机，因为其转速较小且扭矩较大。当电压恒定时，电梯做匀速运动；调节电压越来越高，电梯就做加速运动，反之就做减速运动。当切换“正转/反转”按钮时，还能让电梯做向下匀速、加速或减速运动。
此处需要把电子秤拆解，把外壳（含电池、主板、显示屏与按键）静止固定在底座上，这样就可清晰看清读数。把力传感器通过4根较长的软导线（可用鼠标线或键盘线）和主板相连，然后把力传感器与秤盘固定在电梯底部即可。两块缓冲海绵的作用是确保万一电梯来不及减速而让装置底座或木盒缓冲一下。 先让电梯静止悬空在最低点，此时观察显示器读数并记录，可发现读数N=mg；然后把调速旋钮快速固定在某一较小位置，电梯短暂加速后就维持匀速，提醒学生观察稳定匀速时的显示器读数，可发现仍有N=mg；在最低点时缓慢转动调速旋钮，电梯即向上加速，可发现读数N＞mg；加速运动到中间高度附近再缓慢反向转动调速旋钮，电机即向上减速，此时读数N＜mg；把减速电机切换到“反转模式”，同样可以演示向下运动过程中的超重和失重现象。 需要注意的是，如条件允许，竖直支架越高越好，这样演示过程时间较长，更便于观察研究。另外，当电梯接近最高点或最低点时要快速反转调速旋钮至零，让电梯较快停下，以避免猛烈撞击。
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