低成本迷你電子秤在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用
基 于 高 精 度的 廉 價(jià) 家 用 迷你 電 子 秤 而 設(shè)計(jì) 了 幾 個(gè) 創(chuàng) 新實(shí) 驗(yàn) 裝 置 ， 不 僅 簡(jiǎn) 單直 觀 ， 還 有高 精度 數(shù)字化 測(cè)量 的 特 點(diǎn) 。 幾 個(gè) 實(shí) 驗(yàn)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(xiàn) 象” 。
科學(xué) 發(fā)展 日 新 月 異 ， 很 多 物美價(jià) 廉 的 新 型 電 子 測(cè)量設(shè)備不 斷涌現(xiàn) ， 給我們 日 常 生活 帶來(lái) 了 極大 便利 ，也給物 理 實(shí)驗(yàn) 改進(jìn) 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(chǎn)品。
小編近年來(lái) 積極 應(yīng)用迷 你電 子秤來(lái)創(chuàng)新改 進(jìn)物 理實(shí)驗(yàn) ， 取 得 了 一定的成果?，F(xiàn)把幾個(gè)應(yīng)用迷你電子秤的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)介紹如下，以期和各位物理同仁共同努力，創(chuàng)新改進(jìn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
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(wǎng) 售 的 兩款迷你電子秤及其拆解圖式， 其 大小 和 常 見(jiàn) 的4寸屏智能手機(jī)差不多，相當(dāng)迷你。其中 量程 ５ ００ g精度0.1g的銷價(jià)約16元，量程10g，精度0.001g的售價(jià)約60元。不僅發(fā)現(xiàn)這種電 子 秤價(jià)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(yīng)用于要求精度較高的物理實(shí)驗(yàn)中。
觀察迷你電子秤拆解后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以欣喜地發(fā)現(xiàn)“ 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(guò) ４ 根 軟導(dǎo) 線 相 連接 。 只 要 換 用 4根足夠長(zhǎng) 的 軟導(dǎo)線 ， 就 能把“ 力 傳感 器 ” 從迷 你 電 子秤分離出來(lái)。
為什 么 要 把傳感 器 單獨(dú)分離 出 來(lái) 呢？因?yàn)楹芏?/span>物理實(shí) 驗(yàn) 中 傳感器需要和 研 究一 起 運(yùn) 動(dòng) ， 而力的大 小必 須通 過(guò)靜止的顯示器才能看得清楚。
可能有的 老師會(huì)擔(dān)心換 用較 長(zhǎng)的 軟導(dǎo)線 后，其電阻阻會(huì)不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié) 果產(chǎn)生影響 ？較長(zhǎng)軟導(dǎo)線更 易 受到夕卜 界 電磁 干擾而會(huì)不會(huì)影響精度？小編經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以上擔(dān)憂完全沒(méi)有必要。一個(gè)原因是該迷你電子秤有去皮置零功能，第二個(gè)原因是軟導(dǎo)線中傳輸?shù)氖禽^強(qiáng)的直流信號(hào)，受外界雜散電磁場(chǎng)的影響極小。
二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)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(zhǔn)地被電路檢測(cè)出來(lái)，該傳感器非常靈敏，微米數(shù)量級(jí)的形變就能引起讀數(shù)顯著變化，其靈敏度明顯比傳統(tǒng)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(gè)較 堅(jiān) 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(cè)鉆一個(gè) 孔 可 以 讓金屬 桿通 過(guò) ， 調(diào)節(jié)金 屬 桿使得 其 左 端 剛好輕輕碰觸到電子秤的秤盤(pán)，用旋 緊 桿 把金屬桿牢牢 固 定 。 首先按 “ 去皮清 零” 鍵使得讀數(shù)為 零， 然 后用蠟 燭燒烤金 屬 桿。不一會(huì)兒，可 以 看到 電 子秤讀數(shù)快速變大甚 至 超 出 量 程， 撤去蠟燭， 又會(huì)看 到 讀數(shù)慢慢變小。
小編實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，甚至冬天僅僅用 手握 緊 金 屬 桿 ， 就能使 得電 子秤讀數(shù)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(jìn) 行 對(duì) 比 實(shí)驗(yàn)的激光微小形變演示儀側(cè)不能明顯顯示出來(lái)。
要注意高密度纖維板不能直接和0.001g的電子秤秤盤(pán)接觸，否則系統(tǒng)稍有震動(dòng)，就會(huì)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(chǎn)生 的 壓力 傳遞 給電 子 秤。同樣在 用力 按壓纖維板前 需要 對(duì) 電 子秤進(jìn)行去皮清零 。
2.用迷你電子秤探究 點(diǎn) 電 荷 間的作用力
通常 兩個(gè)帶電小球的 作 用力 非常微小，難以用實(shí)驗(yàn)用測(cè)力計(jì)去測(cè)量，故一些相關(guān)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)都采用了杠桿或扭秤等靈敏裝置去間接測(cè)量。其實(shí)，采用精度為0.001g的迷你電子秤，完全可以直接測(cè)量庫(kù)侖力并直接顯示。
滑動(dòng)鎖定裝 置 上 下 移動(dòng) 。 將精度 〇． ００ １ ｇ 的 電 子 秤放在底座 上 ，金屬 球 Ａ 通 過(guò)絕 緣桿 用萬(wàn)能膠固定在秤盤(pán)上。這樣， 整個(gè)裝 置 就做好 了 。
特別注意的是，兩個(gè)金屬球要完全一樣，并盡量選擇質(zhì)量小的，否 則 電 子砰 會(huì)因 超量程 而 報(bào) 錯(cuò)，因?yàn)榍辶愫罅砍讨挥?/span>10g,此外兩個(gè)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(shū)館裝訂機(jī)用的5mm粗細(xì)的熱熔管，整體質(zhì)量在6g左右。
首先讓電 子秤去 皮清零 ， 然 后用范 氏 起電 機(jī)使兩小球帶電，迷 你 電子秤樣 立 即 就 顯示 讀數(shù) 了 。讓金屬小球B靠近A,可觀察到讀數(shù)越來(lái)越大，并 可 發(fā)現(xiàn)距離變?yōu)橐话霑r(shí)，讀數(shù)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(xiàn)讀數(shù)也約變?yōu)橐话搿?/span>
本裝置 可 以 簡(jiǎn)單快 速 直 觀 地 定 性探究庫(kù)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(jìn)裝置和實(shí)驗(yàn)均不能使誤差明 顯減小。筆者認(rèn)為誤差來(lái)源主要 為兩球 間 距 較小時(shí)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(huì)引起庫(kù)侖力太小而無(wú)法測(cè)量，且距離太大受外界雜散電場(chǎng)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(xiàn)象
在電 梯底 部 即 可 。
兩塊緩 沖海綿 的 作 用是確保萬(wàn)一電梯來(lái)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(diǎn) ， 此 時(shí)觀察 顯示器讀 數(shù)并記 錄 ， 可發(fā)現(xiàn)讀數(shù) N=mg。然后 把 調(diào)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(yùn)動(dòng)， 提醒 學(xué)生 觀 察 勻速時(shí)的 顯 示器讀 數(shù) ， 可發(fā) 現(xiàn) 仍 有N=mg.在最低點(diǎn)時(shí)緩慢調(diào)速旋鈕，電 梯即 向上加速，可發(fā)現(xiàn)讀數(shù)N?mg，加速運(yùn)動(dòng)到中間高度附近再緩慢反向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)即向上減速，此時(shí)，讀數(shù)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(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，便于觀察研究。另外，當(dāng)電梯接近最高點(diǎn)或最低點(diǎn)時(shí)要 快速反 轉(zhuǎn)調(diào)速旋鈕 至 零 ，讓電梯較快停 止 以 避免猛 烈撞擊 。
