基于聲卡和Labview軟件的摩擦力實驗教學新方式研究

古啟蒙

(中山市華僑中學 廣東 中山 528400)

基于聲卡和Labview軟件的摩擦力實驗教學新方式研究

古啟蒙

(中山市華僑中學 廣東 中山 528400)

利用電子、傳感器技術和Labview軟件研制了一個成本低、實用性強的基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置，克服了傳統摩擦力實驗教學中讀數不準，難以控制勻速、很難觀察到瞬間變化的過程等缺點，實現了定性研究與定量研究相結合.實驗操作簡單，現象明顯直觀，為摩擦力實驗的有效教學提供了一個新的方式．

摩擦力 傳感器Labview聲卡 數據采集器

眾所周知，實驗在物理教學中是十分重要的.作為物理教師對于課程中的實驗都很重視，在不斷探索物理教學中，也在尋求實驗教學的提高和突破，從而達到良好的教學效果.

由于在新課程標準中，物理實驗內容的增加，實驗要求和方式的變化，對物理實驗教學和實驗資源也就相應地提出了較高的新要求．對于摩擦力實驗，一直是高中物理教學的一大難點，傳統實驗是利用彈簧測力計來進行實驗的,如圖1所示，為高中物理

教材粵教版必修1中摩擦力實驗的原理圖.儀器簡單,但操作要求較高．

圖1 傳統實驗原理圖

讀數時，彈簧測力計處于運動狀態，讀數非常困難；人手難以保持勻速拉動木塊；難以讀出最大靜摩擦力以及看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力．往往僅能做定性的觀測, 無法進行定量研究．

因此,針對實際教學情況，本文用自制的拉力傳感器來代替彈簧測力計做這個實驗,研制出一個成本低、實用性強的基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置，應用于課堂的摩擦力實驗教學．

1 基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置的設計和實現

本裝置的系統框圖如圖2所示，摩擦力實驗產生的力信號通過拉力傳感器轉化、放大成易于采集的電信號，再通過基于聲卡和Labview軟件的數據采集器采集、顯示．

圖2 裝置的系統框圖

1.1 摩擦力實驗裝置設計

實驗裝置如圖3所示.

圖3 裝置原理圖

使用了拉力傳感器、彈簧、小滑塊、帶輪木板、導軌等．本實驗裝置的設計方案為：

(1)將拉力傳感器固定在導軌的一端；

(2)帶輪的木板放在導軌上面，木板可以在導軌上自由移動；

(3)在木板上放有小滑塊，小滑塊上面可以放砝碼，小滑塊的一端和拉力傳感器的另一端相連接，中間還連接著一個彈簧，我們要研究的就是小滑塊受到摩擦力的變化情況；

(4)實驗時，通過拉帶輪的木板來使小滑塊受到的摩擦力發生變化；根據二力平衡原理，小滑塊受到的摩擦力大小和拉力傳感器受到的拉力相等，拉力傳感器把摩擦力信號傳給數據采集器，即時顯示出摩擦力的變化情況．通過觀察彈簧的伸縮變化可以使我們直觀地觀察到摩擦力的變化．

1.2 拉力傳感器的制作

該拉力傳感器在整個摩擦力測量系統起著至關重要的作用，它是實物測量和虛擬儀器顯示之間的橋梁．拉力傳感器實際上是一種可以將拉力信號轉變為可測量的電信號輸出的裝置．該拉力傳感器主要是由電阻應變式稱重傳感器和放大倍數為0～

1 000倍的AD623放大器兩部分組成．該傳感器最大可承受6N的力，因為實驗中的摩擦力比較小，所以選擇了這種量程小但靈敏度高的傳感器．AD623芯片的同反相輸入正好符合稱重傳感器的電橋的輸出．可通過調節放大按鈕隨時調整放大倍數．

1.3 基于聲卡的數據采集器設計

圖4為本實驗裝置的數據采集器的系統框圖，數據采集器是把實驗過程中的電信號轉變為數字信號輸出，實現了數模之間的轉換．而聲卡也是一個同樣具備數模轉換功能的設備．利用聲卡在音頻范圍內代替專用的數據采集器，大大降低了在實際教學中使用數據采集器的門檻．

圖4 數據采集器系統框圖

2 摩擦力測量裝置的測試和分析

2.1 演示靜摩擦力的大小隨拉力F的增加而增大

對木板施加一個適當的拉力F，使小滑塊和木板間不發生相對運動, 此時小滑塊受到的是靜摩擦力, 拉力恒定，波形是一條平行X軸的直線．如施加的拉力逐漸增大, 若滑塊還未發生滑動, 波形呈上升狀，如圖5所示．圖中從AB段可以看到當拉力F增大時，摩擦力也是逐漸增大的，這就可以證明傳統實驗得到的第一個結論：靜摩擦力的大小隨拉力F的增加而增大．

圖5 靜摩擦力曲線

2.2 演示最大靜摩擦力和滑動摩擦力的關系

2.2.1 定性研究

在2.1的基礎上,如果不斷地增加施加給木板的拉力F,靜摩擦力的增大是有限度的， 當增加到一定數值后, 小滑塊開始相對滑動了,此時的波形如圖6所示．

圖6 最大靜摩擦力波形

我們可以看到摩擦力逐漸增大到一個值，突然變小，數值變小的那瞬間恰好是小滑塊相對木塊滑動的瞬間，摩擦力達到的最大值(C點)就是小滑塊受到的最大靜摩擦力大?。l生相對滑動之后小滑塊受到的就是滑動摩擦力(EF段)．由圖我們可以清楚地看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力．

2.2.2 定量研究

由圖6可得，C點即是最大靜摩擦力點，可以知道其最大靜摩擦力為4.33N，滑動摩擦力為3.53N，4.33N>3.53N，由數值可以看出最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，而且還可以知道最大靜摩擦力比滑動摩擦力大0.2N．

3 測量系統應用于實驗教學的優勢分析

實驗測試結果表明，這個基于聲卡和Labview軟件的摩擦力測量裝置的設計滿足中學物理摩擦力實驗教學的要求和學生學習摩擦力知識的需要．與傳統摩擦力實驗教學相比，該裝置具有以下幾點優勢：

(1)觀察直觀，定性與定量研究相結合，提高效率．利用本裝置可以把記錄下摩擦力的瞬間變化，同時實現了定性和定量研究有效結合，解決了瞬間變化難以看到和讀數不準的問題．提高了實驗的效率和準確度．

(2)滑塊轉動為靜，降低操作難度．采用了固定滑塊而直接拉下面的木板時不用控制勻速, 避免了直接拉滑塊時很難控制勻速運動而造成的誤差，降低實驗難度，過程簡單明了，效果明顯．

(3)使用成本低、實用性強的基于聲卡的數據采集器．市面上的數據采集器一般比較昂貴，難以普及．而本實驗系統在Labview軟件件環境下，使用了一套基于聲卡的數據采集器，大大降低了成本，有利于普及．

(4)制作了一種高靈敏度、高準確度的拉力傳感器，可以解決中學力學實驗中無法觀察、讀取瞬間變化的力的問題，為中學力學實驗與現代信息技術相結合提供了一座橋梁，已成功應用于摩擦力實驗．

1 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)．北京：人民教育出版社，2003

2 侯國屏，王坤，葉奇鑫.Labview7.l編程與虛擬儀器設計.北京:清華大學出版社，2005

3 呂紅英．基于聲卡的虛擬儀器及其在電磁學遠程實驗教學中的應用：[碩士學位論文]．廣州：華南師范大學，2005,6

4 胡穎舒．基于USB聲卡和虛擬儀器的中學物理實驗平臺的設計和應用：[碩士學位論文]．廣州：華南師范大學，2008,5

5 廣東基礎教育課程資源研究開發中心.普通高中物理教科書(必修1)．廣州：廣東教育出版社，2010

2017-02-08)