探究滑輪組機械效率實驗裝置的創(chuàng)新設(shè)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(jié)的內(nèi)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(shù)據(jù)歸納出提高滑輪組機械效率的方法. 經(jīng)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(shù),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(guān)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(shù)據(jù)進行充分分析[1].

為解決以上問題,本文設(shè)計并制作了數(shù)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(guān)系.

1 實驗裝置的設(shè)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(diào)壓)、DC5.5-2.1母頭、鈕子開關(guān)(6腳3擋)、45轉(zhuǎn)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(tǒng)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(guān)(調(diào)零與設(shè)置小數(shù)位數(shù)).

(a)HX711 (b)OLED

2)程序設(shè)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(shè)計. 利用Phyphox editor或VB編輯實驗專用軟件,通過藍牙實時顯示數(shù)據(jù),方便課堂演示、觀察及記錄數(shù)據(jù).

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(nèi),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(diào)零開關(guān)、傳感器電源開關(guān)、電機電源DC插頭和控制電機的鈕子開關(guān)安裝在亞克力板相應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)計上、下軌道,快速固定力傳感器和電機,實現(xiàn)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(huán)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(jié)構(gòu)

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(tǒng)固定在下軌道上,閉合自制力傳感器的電源開關(guān),按下力傳感器的清零鍵,完成測力系統(tǒng)調(diào)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(guān)(電機正轉(zhuǎn)),勻速提升重物,讓重物提升高度為h=0.05 m,閉合開關(guān),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(shù)n不同),重復(fù)以上操作,并記錄數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示.

表1 不同物重對應(yīng)的滑輪組機械效率實驗數(shù)據(jù)

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(shù)n有關(guān),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(shù)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(fù)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(tǒng)的有用功W有=G物h=0.098 J,得到的實驗結(jié)果如表2所示.

表2 不同動滑輪重對應(yīng)的滑輪組機械效率實驗數(shù)據(jù)

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(shù)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(fù)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(tǒng)的有用功(W有=G物h=0.098 J),得到的實驗結(jié)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(shù)據(jù)

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(zhì)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(jié)束語

現(xiàn)代信息技術(shù)正深刻地影響著中學物理實驗教學,自制教具中融入數(shù)字化信息系統(tǒng)等現(xiàn)代化教學技術(shù)已成為新課程實施的有效途徑[2]. 本實驗利用自制數(shù)字化滑輪組機械效率實驗裝置,引導(dǎo)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(guān)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(fā)揮了課程的實踐性,以促進學生深度學習,有效培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng).