超重失重演示仪

马玉桥

项目的由来及原理

假如人乘坐电梯时站在体重秤上面，就会发现，秤上显示的体重在电梯加速上升时变大了，而加速下降时则变小了，这就是超重和失重现象。

超重和失重现象是力学教学中要遇到的两种抽象物理现象。这两种现象是学生学完牛顿运动定律后，知识的迁移和应用部分，也是一个比较重要的、典型的应用型知识点。这是因为：其一，超重和失重产生原因的分析，要用到参考式的概念和牛顿第二定律、牛顿第三定律，这不仅有利于学生巩固对有关概念定律的正确理解，也有助于培养学生分析问题的能力；其二，这是一个贴近日常生活的实际问题，能激发学生的学习兴趣和体会生活中的物理知识；其三，超重和失重现象与航天技术紧密联系，让学生了解我国前沿科学，可以激发学生的情感价值。物体超重、失重的演示有多种方法。做这个演示的时候，要求被演示物体有较大的加速度，超重失重现象才比较明显，因此演示现象往往一闪而过，教室里绝大部分学生根本来不及观察。例如若加速度为0.3m/s2，则位移1.5m，时间仅为0.3s，加速度再大些，时间就更短了。超重与失重现象最直观的表现是用测力计或台秤测物体的重力时示数会变大或变小。虽然学生通过坐电梯或坐过山车能获得亲身体验，但却无法直观地看到在超重和失重状态下测量示数的改变。因此这种体验活动是有局限性的。如果能让学生在课堂上亲眼目睹超重与失重现象，并能感受在现象中示数的变化，将更有助于学生对相关知识的研究与学习。制作“超重与失重现象演示仪”正是为了实现该目的。

目前的自制演示教具大多为手动的，无法记录实验现象，所以，这就需要有一种实验演示仪能把实验结果留下来。

利用微处理器Arduino单片机作为控制单元设计的超重失重演示仪不但可以精确而且直观地演示出超重失重的物理现象，还可以通过单片机控制压力传感器把物体受到的水平面支持力的数值在显示屏上显示出来。这样，学生就可以直观地观察到在超重失重过程中物体所受支持力的变化情况。

实验装置工作原理与结构

实验装置原理见图l，结构见图2。

说明：电机在程序的主导下由遥控器控制，可以实现加速或减速转动。在电机牵引下，同步带就会加速或减速运动，继而带动“迷你电梯”的运动，在迷你电梯内的重物就会产生超重或失重现象，这时，迷你电梯内的电子秤，测得的物重就会发生改变。迷你电梯内部自带的电子秤称得的物体重量数据将通过内部自带的无线数据传输模块传送到与显示屏连接的无线接收装置，经过上位机的转变，在显示屏就会显示出电子秤上称量所得物重。在按照最初设计制作的装置进行实验时发现，迷你电梯晃动严重，导致电子秤的示数变化波动大，实验效果受到影响，经反复改进后，迷你电梯的稳定性得到改善，电子秤示数波动很小。实验装置实物见图3。

演示实验过程

◇按图2安装好装置，接通电源，打开电机控制装置的电源开关。

◇打开电子秤，打开显示屏，打开串口，调节电子秤的读数显示，校准读数使显示读数正确。

◇使用遥控器控制电机，使迷你电梯实现加速上升或下降，就可以在电脑上采集到物体所受支持力的变化情况。通过遥控器控制，我们可以实现电梯加速上升、下降，减速上升、下降，匀速上升、下降，全程模拟电梯的上升、下降（先加速，再匀速，后减速）过程，在这些运动过程中，迷你电梯内的电子秤实时测量物体重量并发送到显示屏上同步更新显示。本教具的最大特点在于使用Arduino单片机进行编程控制，可以实现稳定持久的匀加速或匀减速运动，使得超重失重现象更加直观明显，便于观察。

使用效果

利用这套仪器，可以让观察者看到：迷你电梯加速上升或减速下降时，物体所受水平支持力明显变大；当迷你电梯减速上升或加速下降时，物体受到的水平支持力明显变小；当迷你电梯匀速运动时，物体所受水平支持力基本不变；本教具的实验测量数据稳定，变化明显。

经测量，静止时称量的300g的重物在加速上升时，视重可达到3l0g；加速下降时，视重仅为288g左右。物体在超重失重状态下的视重变化非常明显且稳定，足以向学生展示超重失重状态下物体视重的变化，令学生对此知识产生深刻的认识。

创新点

◇解决现有超重失重演示仪器加速不稳定、不可控问题。目前的教学应用中的超重失重演示仪加速度不稳定，假如在电梯里实验的话，效果是很好，但是在课堂上却不可行，但超重失重演示仪稳定可控，可操作性强，可以现场演示，效果完全与真正的电梯相同。

◇保留了传统实验的直观性。科学技术与传统实验相结合，使得演示实验在保留传统实验的直观性的基础上又增强了演示效果。

◇解决了读取数据困难的问题。使用单片机处理，不仅可以在课堂上感受超重失重的现象，还可以观察在超重失重环境中物体视重的变化；通过无线模块将数据传送到显示屏上显示，还避免了在超重失重环境中读数的困难。

◇易拆装，方便携带，稳定性好，便于课堂演示教学使用。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目采用单片机技术设计制作了超重失重演示仪，可以模拟电梯运动。该项目原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，作品教育性强。项目选题新颖，具有实质性创新，对传统方法有突破。作品效果显著，制作规范，具有示范推广价值。希望该项目扩大加速度变化的演示范围。