“超重、失重”演示仪的创新设计与使用

罗绪凯

摘   要：利用大量程压力传感器与朗威数字化信息系统实验室（DISLab）设计了一款数字化“超重、失重”演示仪，有效解决了现有超重、失重演示仪器存在的效果不直观的问题。该仪器设计思想创新，操作便捷，能够实时、动态地显示压力F随时间t的变化曲线，能够定量研究人下蹲和起立过程中的超重、失重现象，有效落实了新课程标准对“超重和失重”的教学要求。

关键词：压力传感器;朗威DISLab;超重;失重

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）3-0047-3

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》[1]对“超重和失重”一节提出的要求是通过实验认识超重和失重现象。新人教版高中物理必修第一册继续沿用旧人教版教材中使用过的一个素材，即人站在体重计上做下蹲、起立动作，观察过程中体重计示数的变化。但在实际操作过程中存在示数变化太快、效果不明显的问题。近年来，数字化信息系统（Digital Information System），简称DIS，革新了实验教学的手段与方式，优化了实验教学功能，推动了课程改革[2]。与传统的实验方法相比较，传感器与计算机技术相结合的数字化实验具有效率更高、精确度更好、分析功能更强大等优点。基于此，本文将大量程压力传感器与朗威DISLab相结合，设计制作了一款适合物理实验教学的“超重、失重”演示仪器，充分利用现代信息技术，提高了课堂效率，突破了教学难点，提升了学生的学习兴趣。

1    常规演示仪器的不足

目前，教师在进行本节内容教学时都喜欢探究人下蹲和起立过程中的超重、失重现象，设计了许多实验方案。比如，有的方案是人用手提着一个弹簧测力计，在测力计下端挂上钩码，然后人开始做下蹲和起立的动作，观测弹簧测力计的示数变化。但由于在此过程中手会出现晃动从而对实验造成一定的影响，并且过程中测力计示数变化太快，可视度不高，学生很难观察到测力计示数的变化情况[3]。此外，有的实验方案是让人站在传统的指针式或数字式体重计上完成下蹲和起立动作来研究超重、失重现象，但实验过程中发现，人在下蹲和起立过程中，体重计示数变化一闪而过，无法仔细观察，实验现象不够直观明显[4]。

2    实验仪器设计与使用

2.1    设计思想

基于上述实验方案中存在的问题，进行如下思考：如果能够自制一个体重计，结合现代信息技术直观地呈现出人在下蹲和起立过程中的压力F随时间t的变化曲线，就可以帮助学生很好地认识下蹲和起立过程中的超重、失重现象，从而解决现有实验方案存在的问题。目前，生活中很难找到一种体重计能够动态呈现出压力F随时间t的变化，物理实验室中配套的压力传感器量程很小，通常只有几十牛，无法承受人体的压力。因此，设计出一个能动态呈现压力变化且能够承受大质量物体的体重计至关重要。网络平台上可以购买到大量程的压力传感器，它们的量程在几百牛至上万牛不等。如果能够将这类大量程压力传感器与朗威DISLab兼容，便可以实现实时动态地呈现人在下蹲和起立过程中压力F随时间t的变化曲线。

2.2    实验器材

该实验仪器主要由两部分组成，即自制体重计和朗威DISLab。对于制作体重计，需要两块能够承受很大压力的板材。最初选择的是透明的亚克力板，但是由于亚克力板硬度低，易裂、易碎、易变形，所以排除了这种材料。考虑到取材方便、成本低，最终选择了两块长宽均为28 cm、厚度为1 cm的木板作为自制体重计的上、下表面。然后购买了4个大量程（量程均为1 000 N）的压力传感器用于检测压力情况。由于有四个压力传感器的输出信号，需要将它们进行数据汇总后再输出，可通过一个四合一接线盒完成。由于压力传感器的输出信号是mV数量级的电压信号，电压传感器无法直接检测，为了解决此问题，需要使用一个电压放大器对微小电压信号进行放大处理。电压放大器的工作电压为9～24 V的直流稳压电压，可以采用高中学生电源的直流稳压电压挡为其供电。最后，通過电压传感器、数据采集器将数据传输到朗威DISLab软件中进行处理并绘制图像。

整套实验仪器共需要用到以下器材：长宽均为28 cm、厚度为1 cm的木板两块，量程均为1 000 N的压力传感器4个，螺栓若干，四合一接线盒1个，电压放大器1个，高中学生电源1台，电压传感器1个，数据采集器1个，传感器连接线1根，USB数据传输线1根，带有朗威DISLab软件的笔记本电脑1台。

2.3    实验仪器的制作与原理

2.3.1    制作过程

将两块长宽均为28 cm、厚度为1 cm的木板通过螺栓分别固定在压力传感器的上、下表面，便于实验人员踩脚，制作完成的体重计如图1所示。

为了将四个压力传感器的输出信号进行汇总，使用一个四合一接线盒（图2）进行处理。由于压力传感器的输出信号电压是mV数量级，以至于电压传感器无法准确检测，因此采用一个电压放大器对传感器输出的电压信号进行放大处理。电压放大器的工作电压为9～24 V的直流稳压电压，采用高中学生电源的直流稳压电压挡为其供电，本实验中采用的是“16 V”挡。输出电压经过放大后可以使用电压传感器进行检测，并通过数据采集器将电压数据传输到笔记本电脑上的数字化实验软件中。获取的电压信号U如何转化为压力F的大小？可以通过朗威DISLab“通用软件”板块中的“自定义变量”功能输入压力F与电压U的关系表达式，就可以得到“变量F ”。制作完成的实验仪器实物图如图3所示。

2.3.2    实验原理

大量程传感器的工作电压为5 V直流电压。在工作电压一定时，压力传感器输出的电压信号U与其受到的压力F成正比，因此可以得到F=kU。连接好线路之后，首先进行电压调零，重量为G的实验人员站立在体重计上静止不动，电压传感器测得此时的输出电压为UG，则F=GU/UG。笔者测得当G=550 N时，UG=2.20 V，故关系式F=250U。在朗威DISLab“通用软件”板块中的“自定义变量”功能下输入压力F与电压U的关系表达式F=250U，从而完成“变量F ”的定义。然后，在图像设置中将x轴设定为时间t，y轴设定为压力F。实验人员在体重计上做下蹲和起立的动作时，软件工作界面上可以直观、动态地呈现出压力F随时间t的变化图像。

2.4    实验过程与结果分析

实验前，按照图3连接好实验仪器，打开笔记本电脑上的朗威DISLab“通用软件”界面，然后打开学生电源开关，在软件界面设置相关实验参数，具体如下：

①自定义变量，输入F=250*U1 （下标“1”表示电压传感器与数据采集器的端口1相连）;②设置采样频率为每秒采集50次;③添加图线，将x轴设定为时间t，y轴设定为压力F;④点击“调零”按钮后进行数据采集，压力传感器将采集的数据自动记录在表格中，并实时、动态地呈现压力F随时间t的变化图像。

2.4.1    演示人蹲下后不动再起立的实验

人站在自制的体重计上完成下蹲动作后不动再起立，笔记本电脑界面上获取的图像如图4所示。由图可知，人静止站立在体重计上时，重量为550 N，在下蹲过程中压力的示数先减小（最小压力为141 N），再增大（最大压力为901 N），再减小，最后基本保持550 N不变。由于蹲下后较短时间内人体有晃动，所以压力F呈现微小振荡变化。人起立过程中压力的示数先增大（最大压力为838 N），后减小（最小压力为157 N），再增大，最后基本保持550 N不变。同样，由于起立后较短时间内人体有轻微晃动，所以F有微小振荡。

2.4.2    演示人蹲下马上起立的实验

人站在自制的体重计上完成下蹲动作后马上起立，此过程中压力F随时间t变化的图像如图5所示。

由图5可知，此过程中压力先减小（最小压力为146 N），然后压力开始增大（最大压力为1 023 N），此后压力又开始变小，达到一个最小值188 N后再次变大，最后基本保持550 N不变。

3    实验仪器的创新点

（1）通过在自制的体重计上体验下蹲和起立过程，并结合现代信息技术让学生直观观察到压力变化情况，可以激发学生的科学兴趣，引发学生思考，让他们在实践中体会实验仪器的设计思路，培养创新能力，渗透物理核心素养。

（2）相比于传统的实验装置，该仪器充分利用数字化实验在实验测量中的优势，直观、实时、动态地呈现出了人下蹲和起立过程中的压力随时间的变化情况，学生在此基础上，可以透彻理解超重和失重，很好地体现了演示实验应有的价值。

（3）很多学生都容易陷入“下蹲过程只有失重、起立过程只有超重”的误区，该仪器可以让学生深刻认识到下蹲过程是先失重再超重，起立过程是先超重再失重，打破了学生最初的错误认知。

4    结束语

本文通过将大量程压力传感器与朗威DISLab相结合，设计了一款探究人下蹲和起立过程中超重、失重情况的实验仪器，设计思想创新，操作便捷，能够实时、动态地呈现出压力随时间的变化图像，有助于学生直观形象地理解超重和失重现象，教学效果非常好。此外，该实验仪器还可以应用于其他物理数字化实验中，比如可以用于探究人在电梯中的超重、失重现象以及研究重物下落碰撞时的压力变化情况。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]冯容士，李鼎.DIS，上海创造——数字化实验系统研发纪实[M].上海：上海教育出版社，2018：63.

[3]章强，庞惠华.核心素养导向下的高中物理课堂教学实践——以“超重和失重”教学为例[J].物理之友，2017，33（10）：23-25.

[4]应俊.创设教学情境 激活课堂思维 发展核心素养——以高中物理“超重与失重”教学为例[J].物理教学，2020，42（04）：12-14.

（栏目编辑    刘   榮）