基于传感器的凹凸桥实验仪*

江 华 谢 娇 张 勇

(重庆市潼南中学校 重庆 402660)

1 概论

凹凸桥这一知识点是人教版必修二圆周运动部分的重要内容，也是考试的重要内容，更是日常生活中常见的桥模型，是生活中的重要常识.凹凸桥理论的学习可以促进学生对生活中各种桥原理的理解，也可以促进学生在生活中对凹凸桥理论的运用.凹凸桥教学模型的演示对学生理解凹凸桥理论有着很大的帮助，但传统实验室中的凹凸桥演示器只能定性地观察和分析，并不能够定量地实验和分析.为了弥补这一不足，笔者团队在传感器的基础上，认真研究制作了能够定量实验的凹凸桥演示仪.现将具体情况介绍如下.

2 传统实验仪的实验方法及不足

2.1 第一类凹凸桥实验演示器

2.1.1 仪器介绍

一般实验室的凹凸桥演示器，如图1所示，是泰州市永创教学仪器有限公司生产的凹凸桥演示器.该仪器由塑料、木质组成的固定装置和两块亚克力板制成的弯曲轨道组成，亚克力板中间的缝隙宽度可以利用中间的两个螺母进行调节.

图1 实验室内凹凸桥演示器

2.1.2 使用方法介绍

实验时，将金属小球分别放到导轨的最低点，调节两螺母到适当位置，让小球放在导轨最低点时，金属小球不会从间隙中掉下.再将小球从左端最高处静止释放，发现小球在运动到最低点时会从缝隙掉下.这一现象说明小球过凹形桥的最低点时对轨道的压力大于小球本身的重力，超重.

将金属小球放到导轨的最高点，调节左边螺母，使狭缝变小，调节右边螺母使金属小球恰好能从轨道掉下.再将小球从左端最高处静止释放，发现小球通过凸形桥时不会掉下.这一现象说明金属小球通过凸形桥最高点时对轨道的压力小于本身重力，失重.

2.1.3 优点和不足

该仪器能够较好地将金属小球通过凹凸桥时的超重、失重现象清晰、直观地展现出来.但是该仪器不能定量地展现出压力大于或者小于重力，而且可信度不够，更不能展现出凹凸桥中

这两个力学关系.

2.2 第二类凹凸桥实验演示器

2.2.1 仪器介绍

如图2和图3所示，该实验演示器为湖南津市一中物理组教师共同研制，由木质结构、薄铁片、电路、灯泡等器材构成.该演示器原理为：利用小球经过轨道最高点和最低点时对接触薄片的压力使薄片发生形变，从而接通电源，使灯泡发亮.

图2 第二类凹凸桥演示器立体图

图3 第二类凹凸桥演示器电路图

2.2.2 使用方法介绍

将金属球分别静止放在凹凸桥轨道的最低点，调节下方螺母，使Ⅰ灯不亮，且螺母最高处和金属片距离不大.将金属球再静止放在凹凸桥轨道的最高点，调节下方螺母，使Ⅱ灯刚好发亮.

将金属球从左端高处静止释放，发现通过最低点时，Ⅰ灯亮了，而通过最高点时Ⅱ灯未亮，这说明金属球在最低点时对轨道的压力大于重力，超重；当小球通过最高点时，Ⅱ灯不亮，说明金属球通过凸桥最高点时对轨道的压力小于重力，失重.

2.2.3 优点和不足

3 创新实验器材介绍

3.1 实验器材结构

运动物体(即研究对象)为直径d=50 mm左右的实心金属球，实验室里的一般金属小球因其质量太小，通过凸桥时实验现象不明显，误差较大.

实验装置如图4所示，一金属制作的导轨，导轨宽度略大于所选金属小球的直径.利用支架将导轨固定在一板上，导轨的下凹处和上凸处制成半径r=0.5 m的圆弧状.在凹桥的最低点和凸桥的最高点分别切下宽度约为1 cm的金属片a,b(如图5)，将两块金属片下方分别焊接上力传感器.调节金属片a,b高度，使之与轨道平滑相接(如图5)，以小球通过接缝时无碰撞、无顿挫为达标标准，之后将传感器固定在下方立柱上.a,b两金属片上方分别安装一个光电门.特别强调，塑料导轨因其材料的局限性，不太容易达到接缝处的平滑相接，导致实验误差变大，所以导轨不建议使用塑料材质.

图4 基于传感器的凹凸桥演示器

图5 测量位置细节图

该实验还需要与力学传感器和光电门所配套的电脑软件DISL.其中力软件需要使用“物理专用”软件中的“力的相互作用”或者“通用软件”，并需要以F-t图的形式展现测量数据.

3.2 实验步骤

(1)安装实验器材.调节实验仪器水平、实验轨道竖直，打开DISL软件，连接光电门电路.

(2)调节实验器材.调节金属片a,b的高度，使金属球通过接缝时无碰撞、无顿挫，调节好后用螺母将传感器固定于立柱上.

(3)测量金属球重力.对传感器调零，再将金属小球静止放在a金属片上，记录此时力传感器显示的数据，即为金属小球的重力mg.

(4)将金属球从左端较高处释放，记录经过a,b两金属片时，通过光电门的时间ta,tb，及两力传感器的最大力Fa,Fb.

(6)改变小球释放地点及小球的大小，重复进行(3)、(4)、(5)步操作，再次验证实验结果.

(7)总结结论.

3.3 传承与创新

该仪器在传统凹凸桥造型的基础之上进行了适当的改进，传承了传统凹凸桥的基本结构，仍然利用传统实验所研究的凹桥最低点和凸桥最高点进行实验研究.同时本仪器在传统实验的基础上，借助现在科技进步所带来的新器材，加入了力传感器、光电门、DISL系统等新科技元素.利用力传感器能够测量运动过程中小球对轨道弹力大小,弥补了前辈无法准确测量运动过程中物体产生的弹力的不足；利用光电门测量运动物体速度这一特点，弥补了前辈不方便测量曲线运动物体速度这一遗憾.因此，本实验器材的优点就是:

(1)可以定量地分析小球过凹凸桥时的弹力数据，以数据说明小球过凹凸桥的超重、失重现象；

该实验在测量小球速度时，因为小球的直径较大，所以测量误差较大，增大了整体实验的误差.改进方法为：制作一个密度更大的小球，使其质量较大而直径较小.同时，a，b金属片与导轨平滑相连的调节难度较大，需要改进.

4 结束语

凹凸桥这部分内容是对向心力知识的运用，学生对这部分内容的理解可以促进其对向心力知识的理解，也使学生能够将学习的物理理论知识运用到生活中去，真正做到学以致用.同时该实验的完成对《物理课程标准》核心素养要求的落实，有促进作用.希望这个仪器能对学生掌握知识、培养能力有帮助，对教师的教育教学工作有帮助.