探究“蹲下站起”過程 演示“超重失重”實驗
——“數字化”體重計的創新設計與發明

陳顯盈 尤愛惠 謝作如

(1. 浙江省溫州中學，浙江 溫州 325000； 2. 溫州市南浦實驗中學，浙江 溫州 325000)

“物理發明”是根據已有的物理知識和實際能力，在學習(特別是物理學習)、生活、工作和勞動中，對那些感到不方便、不稱心的物體或過程加以改進、改革和創新的物體或方法.在物理教學中滲透“物理發明”內容不僅符合STEAM的教育理念，也有利于學生物理學科核心素養的培養.為了解決普通體重計在超、失重實驗中效果不明顯直觀的問題，筆者根據大量程壓力傳感器和實驗室配套的數字化實驗系統相結合的方法，設計發明了一款適合物理實驗教學用的大量程“數字化”體重計.

1 發現問題——普通體重計存在不足之處

圖1 體重計上的超失重現象

如圖1所示，人站在普通體重計上進行蹲下和站起動作來研究超重和失重現象時，實驗現象稍縱即逝，無法進行仔細觀察，且不能動態顯示力F隨時間t的變化曲線.目前生活中很難找到可以直接動態顯示力F隨時間t的變化曲線的體重計產品，而教學中現有配套的力傳感器量程較小，一般只有幾十牛，遠小于人體的重.實際上，市場上有很多量程較大的的壓力傳感器，如何將該類大量程壓力傳感器和原實驗室配套的物理數字化系統(DIS)相結合設計發明出一款大量程“數字化”體重計呢？

2 分析問題——大量程壓力傳感器與數字化系統如何兼容

如圖2所示，現在淘寶網上有一些高速響應的壓力傳感器，[1]其最大量程在500 N到50000 N不等，它能夠快速感測各種動態、靜態壓力的大小并轉換為電信號輸出.

圖2 淘寶上的大量程壓力傳感器

該類壓力傳感器與數字化系統是否兼容需要考慮以下幾個問題：[2](1) 供電電壓是否匹配問題？大量程壓力傳感器供電電源可與數字化實驗系統的供電電源獨立開來，由外接電池提供.(2) 輸出信號如何識別問題？力傳感器輸出信號一般是電壓信號，可以用數字化實驗系統中的電壓或微電壓傳感器對其輸出電信號進行識別.(3) 電壓輸出信號參數是否匹配問題？對于壓力傳感器的輸出信號電壓一般是mV數量級，可采用微電壓傳感器.(4) 電壓信號電壓U0如何轉化為壓力F的大小顯示值問題？一般可通過數字化系統“通用軟件”中的“自定義變量”功能中輸入F和U0的關系式即可得到“變量F”(像朗威、正方體等品牌均有該功能).

3 解決問題——“數字化”體重計的制作思路與發明原理

3.1 制作思路

圖3 “數字化”體重計的實物圖

需準備的器材： ① 大量程壓力傳感器.筆者選用的是一款最大量程為2000 N、直徑為5 cm的壓力傳感器.② 兩片邊長為25×30 cm的長方形透明厚有機玻璃板.將其分別用螺紋固定在壓力傳感器的上下表面，方便踩腳.③ 供電電源.可選用一節9 V電池為壓力傳感器直接供電.④ 微電壓傳感器和無線發送器.其實時高速測量的數據可直接無線傳送給無線數據采集器和平板電腦.⑤ 其他配套儀器：無線數據采集器及帶數字化實驗軟件的平板電腦等.

組裝時，將電池、微電壓傳感器、無線發射器連接完畢后固定在兩長方形透明厚有機玻璃板之間，安裝完畢的“大量程數字化體重計”實物圖如圖3所示，實驗時再結合無線采集器和帶數字化實驗軟件的平板電腦進行操作即可.

3.2 發明原理

如圖4所示，大量程壓力傳感器供電電壓由1節9 V的電池提供，用實驗室原配套的微電壓傳感器對壓力傳感器的電壓輸出信號進行識別并無線傳送給計算機.在電源電源一定時，壓力傳感器輸出信號電壓U0與其所受壓力F成正比，可得F=kU0.連接好線路好后，一個已知重量為G的人站上去靜止不動,測得此時的電壓為UG，則F=GU0/UG，其中G、UG可以通過實驗得到.筆者通過實驗可測得當G=640 N時，UG=4.28 mV，可得關系式F=150U0.通過數字化系統軟件的“自定義變量”功能輸入該關系式F=150U0便可得到“變量F”，從而可以顯示F的大小，又可以通過“圖像”功能設置動態顯示F-t圖像.

圖4 “數字化”體重計的原理示意圖

4 實驗研究——“蹲下站起”數字化實驗

實驗時，準備好實驗器材，根據實驗原理圖連接器材.接通電源并打開數字化實驗通用軟件界面(筆者采用正方體品牌)，需設置的軟件參數： (1) 微電壓傳感器：設置最大量程為25 mV，每秒采集50次； (2) 自定義變量：輸入F=150*“電壓”； (3) 圖像：設置F-t圖像； (4) 傳感器調零后開始采集：開始做實驗，傳感器開始自動采集并記錄數據在表格中并實時動態顯示F-t圖像.具體實驗結果如下：

實驗1： 蹲下后不動再站起的實驗.

實驗時，人站在“數字化”體重計上完成蹲下動作后不動再站起的動作，觀察計算機采集的圖像，某次實驗結果見圖5.圖5前半部分直觀地呈現了蹲下過程中壓力傳感器的示數隨時間變化的曲線，人的重量為640 N，在蹲下過程中示數先變小(最小286 N)，后變大(最大946 N)，再變小，最后基本保持640 N不變.圖5后半部分呈現的是站起過程中的變化曲線，示數先變大(最大為1035 N)，后變小(最小241 N)，再變大，最后基本保持640 N不變.

圖5 蹲下后不動再站起的實驗

實驗2：蹲下后馬上站起的實驗.

如圖6所示，重量為640 N的人站在“數字化體”重計上完成蹲下動作后馬上站起的動作，壓力傳感器的示數先變小(最小301 N)，后變大(最大1017 N)，再變小(最小418 N)，接著再變大，最后由于人有晃動，在640 N附近有微小振蕩變化.

圖6 蹲下后馬上站起的實驗

5 總結歸納——“數字化”體重計的優點

可見，大量程“數字化”體重計，作為一種物理實驗教學用儀器，將大量程壓力傳感器與物理數字化實驗系統相結合，原理巧妙，操作方便實用.改進后的體重計不僅有效解決了現有數字化實驗室中壓力傳感器量程小的問題，還可以定量探究人體蹲下和站起過程中的超、失重現象，實時動態地顯示F-t圖像，有利于學生直觀形象地認識超重和失重現象.另外，大量程“數字化”體重計還可以應用到其他物理數字化實驗中，可以定量研究人站在電梯中的超、失重實驗，也可以定量研究舉重過程的壓力變化情況，還可以研究重物下落碰撞時的壓力變化情況等各種需要用到大量程壓力傳感器的數字化實驗.