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

科技發(fā)展日新月異，很多物美價廉的新型電子 測量設(shè)備不斷涌現(xiàn)，給人們?nèi)粘Ｉ顜砹藰O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16 元/臺；量程為10 g、精度為0.001 g的售價60元/臺。 可以發(fā)現(xiàn)它們不僅價格低廉，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，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4根軟導(dǎo)線相連接。只要換 用4根足夠長度的軟導(dǎo)線，就能把“力傳感器”從微 型電子秤中分離出來。

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象一起運(yùn)動，而力的 大小必須通過靜止的顯示器才能看清楚。

可能有的教師會擔(dān)心：換用較長軟導(dǎo)線之后，導(dǎo) 線電阻會不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響？較長軟導(dǎo)線更 易受到外界電磁干擾會不會影響實(shí)驗(yàn)測量精度？筆 者經(jīng)過實(shí)際測量對比，發(fā)現(xiàn)以上擔(dān)憂完全沒有必要， 一是該微型電子秤有“去皮清零功能”，二是軟導(dǎo)線 中傳輸?shù)氖禽^強(qiáng)的直流信號，受外界雜散電磁場的 影響極小。下面筆者介紹3個應(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出來。該傳感器非常 靈敏，微米數(shù)量級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“指針放大微小量以及光放大 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 個可以讓金屬桿通過的孔，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（此時電子秤讀數(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)行對比實(shí)驗(yàn)的“激光微小形變演 示儀”則不能明顯顯示出來。

要注意高密度纖維板不能直接和0.001 g精度的 電子秤秤盤接觸，否則只要系統(tǒng)稍有振動，就會使得 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

通常兩個帶電小球間的作用力非常微小，難以 用常見的測力計(jì)去測量，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，完全可以直接測量 庫侖力并直觀顯示。

如圖4所示，做一個高度約為50 cm的木支架 (不能用鐵架臺等金屬支架，會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 以通過一個滑動鎖定裝置上下移動。0.001g精度的 電子秤就放在底座上，金屬球A通過絕緣桿用萬能 膠固定在秤盤上。至此整個裝置就做好了。

特別要注意兩個金屬球應(yīng)完全一樣，并盡量使其 質(zhì)量小，否則電子秤會超過量程而報錯，因?yàn)榍辶愫?/span> 量程只有10 g。此處兩個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，可見讀數(shù)越來越大，并可發(fā)現(xiàn)距離變?yōu)?/span> 1/2時，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>

該裝置可以簡單快速直觀地定性探究庫侖力大 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，誤差來源主要為兩球間距較小時互相影響 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，又會引起庫侖力太小而無法 測量，且距離太大易受外界雜散電場和電荷的影響， 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) 象維持時間較長。模擬電梯用減速電機(jī)牽引，通過調(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，電梯做勻速運(yùn)動；調(diào)節(jié)電壓越來越高，電梯 就做加速運(yùn)動，反之就做減速運(yùn)動。當(dāng)切換“正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)” 按鈕時，還能讓電梯做向下勻速、加速或減速運(yùn)動。

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4根較長的軟導(dǎo)線（可用鼠 標(biāo)線或鍵盤線）和主板相連，然后把力傳感器與秤盤 固定在電梯底部即可。兩塊緩沖海綿的作用是確保萬 一電梯來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)定勻速時的顯示器讀數(shù)，可發(fā)現(xiàn) 仍有N=mg;在最低點(diǎn)時緩慢轉(zhuǎn)動調(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)動到中間高度 附近再緩慢反向轉(zhuǎn)動調(diào)速旋鈕，電機(jī)即向上減速，此時讀數(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)動過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， 這樣演示過程時間較長，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。