借助“科学杂志”探究电梯的运行规律

郭雪鹏

(安徽省临泉县第一中学,安徽 临泉 236400)



#物理·技术·社会#

借助“科学杂志”探究电梯的运行规律

郭雪鹏

(安徽省临泉县第一中学,安徽 临泉 236400)

“科学杂志”APP是一谷歌研发的应用程序,使用手机内置传感器可以记录声音、光、运动.“科学杂志”可以实时测量三维空间3个方向的加速度,利用该功能探究电梯运行时的规律,建立电梯从启动到停止运动的物理模型,通过实验验证模型的正确性.

“科学杂志”APP； 加速度； 加加速度； 电梯； 物理模型

1 “科学杂志”APP

“科学杂志”是谷歌研发的一款APP．该款APP使用手机内置的传感器记录声音、光、运动,并将信号转化为直观的数据.目前该款APP只有安卓版,可以选择中文界面.“科学杂志”具有3大功能:测量光的照度,声音的强度,运动的加速度(分x、y、z3个方向).测量原理APP中都有介绍.这里介绍测量加速度的原理.智能手机内部装有加速计传感器,加速计内部有处于悬浮状态的微粒,微粒可以自由移动．当手机运动状态发生变化时,微粒的运动状态也随之发生变化,通过计算微粒的移动情况,手机中的加速计可以检测自身的运动状态和方向变化.“科学杂志”操作容易,选择测量功能后,点击运行按钮,即可自动记录数据,并将测量数据用图直观显示,而且可以读取各个时刻测量的数据.“科学杂志”的下载地址:

www.wandoujia.com/apps/com.google.android.apps.forscience.whistlepunk.

日常生活中每个人都经常乘坐电梯,回忆乘坐电梯时的感受,无法忘记电梯刚启动时不舒适感,这种感觉存在的时间很短.在电梯停下时,这种不舒服感再次发生在每个乘客的身上.这种不舒适感是怎么产生的?电梯运行有什么规律?借助“科学杂志”APP,这些问题通过探究可以解决.

2 探究电梯的运行规律

2.1 测量电梯运行时加速度的变化规律

电梯启动运行其加速度随时间发生变化,可以利用“科学杂志”测量电梯运行时加速度随时间变化的图像.操作如下.

(1) 进入电梯,将手机静置在电梯地面上,选择测量z方向加速度,如图1所示.

图1 选择测量z方向加速度

手机上显示数字为10m·s-2,这是重力作用在传感器中的微粒产生的加速度,单击“了解详情”,出现一个新页面,介绍测量加速度的原理,处理数据时需减去10m/s2.测量电梯启动的加速度,手机不能拿在手中,必须将手机放在电梯地板上.单击图1中A按钮,开始实时记录加速度数据.

(2) 按下电梯按钮(笔者实验时从10楼到1楼),实验时实验人员保持与电梯相对静止,不能在电梯内走动.

(3) 电梯完全停下,再次单击A按钮,停止记录数据.

笔者乘坐电梯从10楼到1楼、26楼到1楼,18楼到10楼,进行了多次实验,测量的图像如图2所示.

图2 电梯下降的加速度(18层到10层)

图3 图2中矩形虚线框放大后的图像

图像分析:

首先，树立全新的人才培养理念，突破传统教育思路，重新认识现代职业教育决策。国家打造的现代职业教育体系是高等教育体系的结构性调整，是打造本科职业教育化，充分利用本科的教育资源培养高层次、高水平、高素养的适应科技时代需求的新型技术工人。因此，打造以培养应用型技术技能型人才为目标的应用技术型大学，独立学院要优化现有的人才培养方式，发挥办学机制灵活的优势，将优势专业与产业相结合，培养特色专业背景强的、面向基层一线岗位的技术技能型人才，使人才培养方式更加符合现代职业教育改革的要求，更具科学性。

① 电梯启动后,加速度随时间均匀增大,从0增加到到-0.8m/s2(电梯静止时加速度显示值为10,但图2显示其值在“10”这条水平线上方,实际值笔者取为10.2m/s2.图中最小值为9.6,需要都减去10.2,下文出现的数据都如此处理),时间间隔为3.5s-2.4s=1.1s(移动图3中B按钮,可以显示各个时刻以及对应时刻的加速度值).

② 加速度达到最大值后保持不变,持续的时间间隔为4.8s-3.5s=1.3s.

③ 加速度从最大值-0.8m/s2又均匀减小到0,持续时间间隔为5.9s-4.8s=1.1s;之后加速度保持为0,时间为15.5s-4.8s=10.7s,电梯速度达到最大值,视为匀速直线运动.

④ 电梯停下,做减速运动.加速度从0均匀增加到0.8m/s2,时间间隔为16.5s-15.5s=1.0s;16.5s～17.9s,时间间隔1.4s加速度值保持0.8m/s2;17.9s～18.9s,时间间隔1.0s,加速度从0.8m/s2均匀减小到0.

⑤ 实验测得的图像具有对称性.电梯启动时加速度从0增加到0.8m/s2,时间为1.1s;加速度从0.8m/s2均匀减小到0,时间为1.1s,这两个时间间隔相同.电梯减速停下,加速度从0增加到0.8m/s2,时间间隔为1.0s;加速度从0.8m/s2减小到0,时间间隔为1.0s,这两个时间间隔也相同.加速度-时间图像围成的面积代表速度变化量,电梯启动时速度为0,因此面积大小代表电梯运行的最大速度.电梯启动后最大速度为

(1)

电梯上升时的加速度-时间图像,笔者进行了多次实验测试,分别测试了从1楼到10楼、从10楼到26楼、从10楼到18楼,测得的图像类似如图4.

图4 电梯上升的加速度(10层到18层)

根据实验数据,可以得到结论:电梯刚启动时,加速度随时间均匀变化,加加速度恒定.对于笔者实验的电梯,加加速度为

(2)

根据上面的图像和分析结果,可建立如下电梯运行的模型.

图5 电梯运行的加速度模型

(1) 加速度模型.

如图5所示，电梯启动后,加速度随时间先均匀增大,增加到最大值后,以恒定加速度加速一段时间,然后加速度随时间均匀减小到0,电梯达到运行的最大速度.

电梯刚启动时,加速度随时间视为线性变化,变化率即加加速度.如果加加速度太大,加速度变化快,电梯对乘客的作用力变化较快,乘客产生不舒适感.

(2) 速度模型.

根据加速度模型,容易得到速度随时间变化图像如图6所示.

图6 电梯运行的速度模型

根据加速度可以得到电梯从启动到停止各个时间段的运动性质，如表1所示.

表1 电梯的运动性质

2.3 对模型进行实验验证

模型是否正确,需要用实验去检验.实践是检验真理的唯一标准.笔者在小区内随机选取了一些单元楼的电梯,测量电梯上升或下降的加速度时间图像,符合上述模型.另外,笔者在附近一超市内的电梯也进行了实验,从1楼到4楼,又从4楼到1楼,进行多次实验,加速度实验结果和模型相符.

3 结束语

“科学杂志”APP可以测量加速度,运用该APP开展力学探究性实验.本文利用“科学杂志”研究电梯的运行规律,建立电梯运行的加速度模型和速度模型.该APP可以应用于中学物理实验中,开展探究活动,例如验证牛顿第二定律实验、探究物体碰撞时冲击力的变化规律.信息技术越来越发达,将信息技术应用在教学中,应用在物理探究中,可以提高学生对物理的学习兴趣,让学生通过探究活动了解物理学的研究方法.

1 余守宪,赵雁.加加速度(加速度的时间变化率)——冲击,乘座舒适性,缓和曲线[J].物理与工程,2001,11(3):8-13.

2016-11-03)