基于高精度的廉價(jià)家用微型電子秤設(shè)計(jì)“用微型電子秤顯示熱脹冷縮和微小形變”等3個(gè)創(chuàng)新實(shí) 驗(yàn)裝置，用這些裝置演示實(shí)驗(yàn)，不僅簡(jiǎn)單直觀，而且有高精度數(shù)字化測(cè)量的特點(diǎn)。

科技發(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)，給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)了極大便 利，也給物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了新思路和新手段⑴。微 型電子秤就是其中很有代表性的一款產(chǎn)品。

筆者近年來(lái)積極應(yīng)用微型電子秤創(chuàng)新改進(jìn)中學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)，取得了 一定的成果。現(xiàn)將幾個(gè)應(yīng)用微型電 子秤的創(chuàng)新實(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)。

1.微型電子秤及拆解分離傳感器

圖1所示為目前在售的兩款微型電子秤及其拆 解圖片，其大小和常見(jiàn)的4寸屏智能手機(jī)差不多，相 當(dāng)微型。其中量程為500 g、精度為0.1 g的售價(jià)16 元/臺(tái)；量程為10 g、精度為0.001 g的售價(jià)60元/臺(tái)。 可以發(fā)現(xiàn)它們不僅價(jià)格低廉，而且精度較高，特別是 精度為0.001 g的微型電子秤，完全可以應(yīng)用于精度 很高的物理實(shí)驗(yàn)。

在觀察微型電子秤拆解后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，筆者 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，它們僅僅通過(guò)4根軟導(dǎo)線(xiàn)相連接。只要換 用4根足夠長(zhǎng)度的軟導(dǎo)線(xiàn)，就能把“力傳感器”從微 型電子秤中分離出來(lái)。

為什么要把傳感器單獨(dú)分離呢？因?yàn)楹芏辔锢韺?shí)驗(yàn)中的傳感器需要和研究對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)，而力的 大小必須通過(guò)靜止的顯示器才能看清楚。

可能有的教師會(huì)擔(dān)心：換用較長(zhǎng)軟導(dǎo)線(xiàn)之后，導(dǎo) 線(xiàn)電阻會(huì)不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響？較長(zhǎng)軟導(dǎo)線(xiàn)更 易受到外界電磁干擾會(huì)不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度？筆 者經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以上擔(dān)憂(yōu)完全沒(méi)有必要， 一是該微型電子秤有“去皮清零功能”，二是軟導(dǎo)線(xiàn) 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。下面筆者介紹3個(gè)應(yīng)用微型電子秤的創(chuàng) 新實(shí)驗(yàn)。

2.用微型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 阻變化可以精確地被電路檢測(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?lè)糯笪⑿×恳约肮夥糯?微小量”更高。

圖2為“用微型電子秤演示熱脹冷縮”裝置。事 先做一個(gè)結(jié)實(shí)的木質(zhì)底座，用固定夾把微型電子秤 (0.1 g精度即可）豎直固定在左端。在底座右側(cè)鉆一 個(gè)可以讓金屬桿通過(guò)的孔，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)（此時(shí)電子秤讀數(shù)要 盡量小），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，就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。筆者在實(shí) 驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，冬天甚至只要用手握緊金屬桿，就能使 得電子秤讀數(shù)明顯變大，十分靈敏。

圖3為“用微型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”則不能明顯顯示出來(lái)。

要注意高密度纖維板不能直接和0.001 g精度的 電子秤秤盤(pán)接觸，否則只要系統(tǒng)稍有振動(dòng)，就會(huì)使得 電子秤超出量程。解決辦法是在二者之間墊一層泡 沫板，這樣就足夠把微小形變產(chǎn)生的壓力傳遞到電 子秤上了。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。

3.用微型電子秤探究電荷間的作用力

通常兩個(gè)帶電小球間的作用力非常微小，難以 用常見(jiàn)的測(cè)力計(jì)去測(cè)量，故一些相關(guān)創(chuàng)新實(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0.001 g的微型電子秤，完全可以直接測(cè)量 庫(kù)侖力并直觀顯示。

如圖4所示，做一個(gè)高度約為50 cm的木支架 (不能用鐵架臺(tái)等金屬支架，會(huì)被帶電小球影響而產(chǎn) 生靜電感應(yīng)，從而彼此影響），上面貼上一條軟刻度 尺，確保零刻度和金屬球A的球心等高。金屬球B可 以通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)鎖定裝置上下移動(dòng)。0.001g精度的 電子秤就放在底座上，金屬球A通過(guò)絕緣桿用萬(wàn)能 膠固定在秤盤(pán)上。至此整個(gè)裝置就做好了。

特別要注意兩個(gè)金屬球應(yīng)完全一樣，并盡量使其 質(zhì)量小，否則電子秤會(huì)超過(guò)量程而報(bào)錯(cuò)，因?yàn)榍辶愫?/span> 量程只有10 g。此處兩個(gè)小球筆者采用直徑為3 cm的 空心塑料小球表面貼上錫箔紙而做成，絕緣桿采用圖 書(shū)館裝訂機(jī)用的5 mm粗細(xì)的熱熔管，整體質(zhì)量約為6g。

首先讓電子秤去皮清零，然后用范氏起電機(jī)讓兩 球帶電，這樣微型電子秤馬上就顯示讀數(shù)了。讓金屬 球B靠近A，可見(jiàn)讀數(shù)越來(lái)越大，并可發(fā)現(xiàn)距離變?yōu)?/span> 1/2時(shí)，讀數(shù)粗略變?yōu)?/span>4倍；用分電球把球A的電量分去一半，可發(fā)現(xiàn)讀數(shù)也粗略變?yōu)橐话搿?/span>

該裝置可以簡(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，而不能再視為點(diǎn)電荷了。但如果 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，且距離太大易受外界雜散電場(chǎng)和電荷的影響， 這一點(diǎn)也不可忽略。

4.用微型電子秤演示超重與失重

用微型電子秤也可以直觀地演示超重與失重現(xiàn) 象。圖5中的支架高為2m左右，可確保超重或失重現(xiàn) 象維持時(shí)間較長(zhǎng)。模擬電梯用減速電機(jī)牽引，通過(guò)調(diào)速 電路可調(diào)節(jié)減速電機(jī)工作電壓，從而改變速度。注意一 定要采用減速電機(jī)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速較小且扭矩較大。當(dāng)電 壓恒定時(shí)，電梯做勻速運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)電壓越來(lái)越高，電梯 就做加速運(yùn)動(dòng)，反之就做減速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)切換“正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)” 按鈕時(shí)，還能讓電梯做向下勻速、加速或減速運(yùn)動(dòng)。

此處需要把電子秤拆解，把外売（含電池、主板、 顯示屏與按鍵）靜止固定在底座上，這樣就可清晰看 清讀數(shù)。把力傳感器通過(guò)4根較長(zhǎng)的軟導(dǎo)線(xiàn)（可用鼠 標(biāo)線(xiàn)或鍵盤(pán)線(xiàn)）和主板相連，然后把力傳感器與秤盤(pán) 固定在電梯底部即可。兩塊緩沖海綿的作用是確保萬(wàn) 一電梯來(lái)不及減速而讓裝置底座或木盒緩沖一下。

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，電梯短暫加速后就維持勻 速，提醒學(xué)生觀察穩(wěn)定勻速時(shí)的顯示器讀數(shù)，可發(fā)現(xiàn) 仍有N=mg;在最低點(diǎn)時(shí)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)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)速旋鈕，電機(jī)即向上減速，此時(shí)讀數(shù)N；把減速電機(jī)切換到“反轉(zhuǎn)模式”，同樣 可以演示向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的超重和失重現(xiàn)象。

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)，更便于觀察研究。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，讓電梯較快停下，以避免猛烈撞擊。