探究滑輪組機械效率實驗裝置的創新設計

陳劍峰

(莆田第二中學,福建 莆田 351131)

“機械效率”是人教版物理八年級下冊第十二章第3節的內容,教材利用鐵架臺、滑輪組和木直尺等器材組裝實驗裝置,測量不同物重下滑輪組的機械效率,通過分析實驗數據歸納出提高滑輪組機械效率的方法. 經實踐,教材實驗存在以下不足:

a.滑輪組組裝難度較大;

b.利用彈簧測力計勻速拉動重物,同時又要讀數,誤差較大;

c.利用木直尺測量重物移動的距離和彈簧測力計移動的距離,操作困難;

d.教材只研究了改變物重對滑輪組機械效率的影響,未進一步探究機械效率與動滑輪的重力、摩擦情況及滑輪繞線情況的關系;

e.教材實驗操作時間較長,難以在課時有限的情況下對數據進行充分分析[1].

為解決以上問題,本文設計并制作了數字化探究滑輪組機械效率的裝置,探究了滑輪組機械效率與物重、動滑輪重、摩擦情況及滑輪組繞線方式的關系.

1 實驗裝置的設計與制作

實驗器材:ESP-WROOM-32模塊、HX711稱重傳感器AD模塊、1 kg稱重傳感器、OLED模塊、電路板、制作力傳感器的電子元件、12 V直流電源(可調壓)、DC5.5-2.1母頭、鈕子開關(6腳3擋)、45轉12 V的37GB520減速電機、電機支架、木板底座、2020鋁軌框架、亞克力板(UV刻度線)、滑輪、硅膠墊片、磁力配重片、3D打印繞線盤和傳感器外殼等配件.

1.1 力傳感器系統的搭建

1)電路焊接. 將圖1所示的各元件固定在電路板上,然后進行焊接,具體操作為:利用3.2 V磷酸鋰電池為ESP32供電,將HX711模塊的VCC,GND,DO/RX和CK/TX引腳分別與ESP32的VCC,GND,D2和D4引腳連接,OLED的VCC,GND,SCL和SDA引腳分別與ESP32的VCC,GND,D22和D21引腳相連接,并在ESP32的 D13與GND引腳之間接微動開關(調零與設置小數位數).

(a)HX711 (b)OLED

2)程序設計. 利用Arduino編程,將程序上傳到ESP32模塊上(需要利用鉤碼對傳感器進行校準).

3)拓展功能設計. 利用Phyphox editor或VB編輯實驗專用軟件,通過藍牙實時顯示數據,方便課堂演示、觀察及記錄數據.

1.2 實驗裝置的制作

1)將尺寸為60 cm×40 cm帶刻度線的亞克力板嵌入到2020鋁型材制作的框架內,豎直固定在水平木板底座上,以方便測量繩子自由端移動的距離s和物體上升的距離h.框架中間安裝可伸縮的螺桿用來掛動滑輪,輔助繞線,降低繞線難度.

2)將OLED顯示屏、傳感器調零開關、傳感器電源開關、電機電源DC插頭和控制電機的鈕子開關安裝在亞克力板相應位置,焊接電路.

3)用M5長螺絲分別穿過稱重傳感器的螺孔、厚墊片和2020鋁型材專用螺母,并將稱重傳感器和減速電機固定在軌道上,將3D打印的繞線輪固定在電機轉軸上,利用固定在繞線輪上的蠟線勻速提升重物,可直接顯示拉力大小.

4)設計上、下軌道,快速固定力傳感器和電機,實現豎直向上施力或向下施力.

5)利用磁吸配重片改變動滑輪的重力,在動滑輪軸上套不同厚度的硅膠墊片(見圖2),來改變動滑輪、輪軸及硅膠墊片之間的摩擦力(輪軸前端有螺帽,將硅膠墊片環套進去,硅膠墊片越厚,輪、軸和硅膠墊片之間的摩擦力越大). 制作完成的實驗裝置如圖3所示.

圖2 改變動滑輪摩擦結構

圖3 實驗裝置整體圖

2 實 驗

2.1 探究物重對滑輪組機械效率的影響

實驗步驟:

1)將測力系統固定在下軌道上,閉合自制力傳感器的電源開關,按下力傳感器的清零鍵,完成測力系統調零.

2)將動滑輪掛在輔助螺桿上繞線,并在動滑輪下方掛上鉤碼,記錄重力G物,標記物體與繩子自由端的位置.

3)打開電機控制開關(電機正轉),勻速提升重物,讓重物提升高度為h=0.05 m,閉合開關,記錄拉力F和繩子自由端移動的距離s.

4)分別改變G物和滑輪組繞線方式(繞線方式不同,繩子受力段數n不同),重復以上操作,并記錄數據,結果如表1所示.

表1 不同物重對應的滑輪組機械效率實驗數據

由表1可知:當其他條件不變,物重越重,有用功占總功的比例越大,滑輪組的機械效率越高;滑輪組的機械效率還與繩子受力段數n有關,即同等物重下,n越大,摩擦力做功越多,即額外功越多,滑輪組的機械效率越低.

2.2 探究動滑輪重對滑輪組機械效率的影響

固定鉤碼數量和繞線方式,在G物=1.96 N,h=0.05 m,s=0.15 m和n=3的條件下,改變動滑輪重G動,重復2.1中的實驗步驟,探究動滑輪重G動對滑輪組機械效率η的影響,此時系統的有用功W有=G物h=0.098 J,得到的實驗結果如表2所示.

表2 不同動滑輪重對應的滑輪組機械效率實驗數據

由表2可知:當其他條件不變時,動滑輪的重力越大,額外功越多,滑輪組的機械效率越低.

2.3 探究不同摩擦情況下的滑輪組機械效率

固定鉤碼數量和繞線方式,在G物=1.96 N,h=0.05 m,s=0.15 m和n=3的條件下,通過在動滑輪軸端套上不同厚度d的硅膠墊片來改變動滑輪的摩擦情況,重復2.1中的實驗步驟,探究不同摩擦情況下,滑輪組的機械效率η,此時系統的有用功(W有=G物h=0.098 J),得到的實驗結果如表3所示.

表3 不同摩擦情況下滑輪組機械效率的實驗數據

由表3可知:當其他條件不變時,d越大,摩擦力越大,額外功越多,滑輪組的機械效率越低.

綜上所述,提高滑輪組機械效率的方法有:

a.減小動滑輪的質量和滑輪組的摩擦來減少額外功;

b.在額外功不變的情況下,增加物體的重力可增大有用功.

3 結束語

現代信息技術正深刻地影響著中學物理實驗教學,自制教具中融入數字化信息系統等現代化教學技術已成為新課程實施的有效途徑[2]. 本實驗利用自制數字化滑輪組機械效率實驗裝置,引導學生自主探究滑輪組的機械效率與物重、動滑輪重、摩擦力及滑輪組繞線情況的關系,能夠有效地提高學生分析問題和解決問題的能力,讓學生在“做中學,學中思”,并充分發揮了課程的實踐性,以促進學生深度學習,有效培養學生的學科核心素養.