借助“科學雜志”探究電梯的運行規律

郭雪鵬

(安徽省臨泉縣第一中學,安徽 臨泉 236400)

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#物理·技術·社會#

借助“科學雜志”探究電梯的運行規律

郭雪鵬

(安徽省臨泉縣第一中學,安徽 臨泉 236400)

“科學雜志”APP是一谷歌研發的應用程序,使用手機內置傳感器可以記錄聲音、光、運動.“科學雜志”可以實時測量三維空間3個方向的加速度,利用該功能探究電梯運行時的規律,建立電梯從啟動到停止運動的物理模型,通過實驗驗證模型的正確性.

“科學雜志”APP； 加速度； 加加速度； 電梯； 物理模型

1 “科學雜志”APP

“科學雜志”是谷歌研發的一款APP．該款APP使用手機內置的傳感器記錄聲音、光、運動,并將信號轉化為直觀的數據.目前該款APP只有安卓版,可以選擇中文界面.“科學雜志”具有3大功能:測量光的照度,聲音的強度,運動的加速度(分x、y、z3個方向).測量原理APP中都有介紹.這里介紹測量加速度的原理.智能手機內部裝有加速計傳感器,加速計內部有處于懸浮狀態的微粒,微粒可以自由移動．當手機運動狀態發生變化時,微粒的運動狀態也隨之發生變化,通過計算微粒的移動情況,手機中的加速計可以檢測自身的運動狀態和方向變化.“科學雜志”操作容易,選擇測量功能后,點擊運行按鈕,即可自動記錄數據,并將測量數據用圖直觀顯示,而且可以讀取各個時刻測量的數據.“科學雜志”的下載地址:

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

日常生活中每個人都經常乘坐電梯,回憶乘坐電梯時的感受,無法忘記電梯剛啟動時不舒適感,這種感覺存在的時間很短.在電梯停下時,這種不舒服感再次發生在每個乘客的身上.這種不舒適感是怎么產生的?電梯運行有什么規律?借助“科學雜志”APP,這些問題通過探究可以解決.

2 探究電梯的運行規律

2.1 測量電梯運行時加速度的變化規律

電梯啟動運行其加速度隨時間發生變化,可以利用“科學雜志”測量電梯運行時加速度隨時間變化的圖像.操作如下.

(1) 進入電梯,將手機靜置在電梯地面上,選擇測量z方向加速度,如圖1所示.

圖1 選擇測量z方向加速度

手機上顯示數字為10m·s-2,這是重力作用在傳感器中的微粒產生的加速度,單擊“了解詳情”,出現一個新頁面,介紹測量加速度的原理,處理數據時需減去10m/s2.測量電梯啟動的加速度,手機不能拿在手中,必須將手機放在電梯地板上.單擊圖1中A按鈕,開始實時記錄加速度數據.

(2) 按下電梯按鈕(筆者實驗時從10樓到1樓),實驗時實驗人員保持與電梯相對靜止,不能在電梯內走動.

(3) 電梯完全停下,再次單擊A按鈕,停止記錄數據.

筆者乘坐電梯從10樓到1樓、26樓到1樓,18樓到10樓,進行了多次實驗,測量的圖像如圖2所示.

圖2 電梯下降的加速度(18層到10層)

圖3 圖2中矩形虛線框放大后的圖像

圖像分析:

首先，樹立全新的人才培養理念，突破傳統教育思路，重新認識現代職業教育決策。國家打造的現代職業教育體系是高等教育體系的結構性調整，是打造本科職業教育化，充分利用本科的教育資源培養高層次、高水平、高素養的適應科技時代需求的新型技術工人。因此，打造以培養應用型技術技能型人才為目標的應用技術型大學，獨立學院要優化現有的人才培養方式，發揮辦學機制靈活的優勢，將優勢專業與產業相結合，培養特色專業背景強的、面向基層一線崗位的技術技能型人才，使人才培養方式更加符合現代職業教育改革的要求，更具科學性。

① 電梯啟動后,加速度隨時間均勻增大,從0增加到到-0.8m/s2(電梯靜止時加速度顯示值為10,但圖2顯示其值在“10”這條水平線上方,實際值筆者取為10.2m/s2.圖中最小值為9.6,需要都減去10.2,下文出現的數據都如此處理),時間間隔為3.5s-2.4s=1.1s(移動圖3中B按鈕,可以顯示各個時刻以及對應時刻的加速度值).

② 加速度達到最大值后保持不變,持續的時間間隔為4.8s-3.5s=1.3s.

③ 加速度從最大值-0.8m/s2又均勻減小到0,持續時間間隔為5.9s-4.8s=1.1s;之后加速度保持為0,時間為15.5s-4.8s=10.7s,電梯速度達到最大值,視為勻速直線運動.

④ 電梯停下,做減速運動.加速度從0均勻增加到0.8m/s2,時間間隔為16.5s-15.5s=1.0s;16.5s～17.9s,時間間隔1.4s加速度值保持0.8m/s2;17.9s～18.9s,時間間隔1.0s,加速度從0.8m/s2均勻減小到0.

⑤ 實驗測得的圖像具有對稱性.電梯啟動時加速度從0增加到0.8m/s2,時間為1.1s;加速度從0.8m/s2均勻減小到0,時間為1.1s,這兩個時間間隔相同.電梯減速停下,加速度從0增加到0.8m/s2,時間間隔為1.0s;加速度從0.8m/s2減小到0,時間間隔為1.0s,這兩個時間間隔也相同.加速度-時間圖像圍成的面積代表速度變化量,電梯啟動時速度為0,因此面積大小代表電梯運行的最大速度.電梯啟動后最大速度為

(1)

電梯上升時的加速度-時間圖像,筆者進行了多次實驗測試,分別測試了從1樓到10樓、從10樓到26樓、從10樓到18樓,測得的圖像類似如圖4.

圖4 電梯上升的加速度(10層到18層)

根據實驗數據,可以得到結論:電梯剛啟動時,加速度隨時間均勻變化,加加速度恒定.對于筆者實驗的電梯,加加速度為

(2)

根據上面的圖像和分析結果,可建立如下電梯運行的模型.

圖5 電梯運行的加速度模型

(1) 加速度模型.

如圖5所示，電梯啟動后,加速度隨時間先均勻增大,增加到最大值后,以恒定加速度加速一段時間,然后加速度隨時間均勻減小到0,電梯達到運行的最大速度.

電梯剛啟動時,加速度隨時間視為線性變化,變化率即加加速度.如果加加速度太大,加速度變化快,電梯對乘客的作用力變化較快,乘客產生不舒適感.

(2) 速度模型.

根據加速度模型,容易得到速度隨時間變化圖像如圖6所示.

圖6 電梯運行的速度模型

根據加速度可以得到電梯從啟動到停止各個時間段的運動性質，如表1所示.

表1 電梯的運動性質

2.3 對模型進行實驗驗證

模型是否正確,需要用實驗去檢驗.實踐是檢驗真理的唯一標準.筆者在小區內隨機選取了一些單元樓的電梯,測量電梯上升或下降的加速度時間圖像,符合上述模型.另外,筆者在附近一超市內的電梯也進行了實驗,從1樓到4樓,又從4樓到1樓,進行多次實驗,加速度實驗結果和模型相符.

3 結束語

“科學雜志”APP可以測量加速度,運用該APP開展力學探究性實驗.本文利用“科學雜志”研究電梯的運行規律,建立電梯運行的加速度模型和速度模型.該APP可以應用于中學物理實驗中,開展探究活動,例如驗證牛頓第二定律實驗、探究物體碰撞時沖擊力的變化規律.信息技術越來越發達,將信息技術應用在教學中,應用在物理探究中,可以提高學生對物理的學習興趣,讓學生通過探究活動了解物理學的研究方法.

1 余守憲,趙雁.加加速度(加速度的時間變化率)——沖擊,乘座舒適性,緩和曲線[J].物理與工程,2001,11(3):8-13.

2016-11-03)