基于虚拟仪器实现阿基米德原理探究实验

杜嘉萍，吴先球,b

(华南师范大学 a.物理与电信工程学院;b.物理学科基础课实验教学示范中心，广东 广州 510006)

阿基米德原理实验是八年级重要演示实验，实验教学需要学生掌握探究物体在液体中所受浮力与排开液体所受重力的关系的原理和方法，学会从数据中总结规律[1]. 传统与部分改进教学装置，尚存在操作繁难、采集数据误差大、物理量可视化不足等的问题[2-4]. 在信息技术与中学物理教学相结合的案例中，虚拟仪器因其灵活的“开发性”和“扩展性”不失为好的辅助工具. 其能瞬时或连续采集数据、数据可视化方式多样，同时能提高仪器操控的自动化水平. 本文借助虚拟仪器研制阿基米德原理实验装置，实现对仪器的控制和受力数据的测量，简化实验步骤的同时，提高装置的可操作性.

1 实验装置设计思路

根据物体受力平衡，传统实验器材用测力计测量物体浸在液体中的拉力，与物体所受重力作差间接得出浮力，通过溢水杯溢水，用测力计测出物体排开液体所受的重力. 基于虚拟仪器技术的阿基米德原理实验装置，在传统实验器材基础上做了以下改进：

1)物体升降传动控制. 借助步进电机与皮带的传动装置，用编程实现承重板升降带动物体升降，改变物体浸入液体体积或深度，解决原实验存在的操作耗时费力、误差大等问题.

2)力传感器采集数据. 利用NI myDAQ和力传感器代替弹簧测力计，并通过传感器数据采集技术读取力值取代传统从测力计上查看示数.

3)程序设计实现数据自动处理. 利用虚拟仪器实现数据采集与处理在面板上一键达成，并对受力情况数据以表格、图像等多种形式可视化，帮助教师克服难以兼顾演示以及对数据采集和处理的困难.

4)动态过程数据可视化. 原教材装置对物体逐步浸入液体中力学量变化的图像描述没有研究，但有关这个过程的习题较多[4]. 针对以上问题，本文利用数据瞬时采集特点，通过波形图表的形式，对物体逐步浸入液体的动态过程中2只力传感器F1和F2的数据变化趋势实现可视化.

5)现象放大. 安装与装置连接的摄像头，实现在计算机上实时监控实验过程，放大演示现象，让学生能通过用户界面清晰观察实验.

根据以上设计思路，设计的实验装置如图1所示，使用NI myDAQ板连接计算机和硬件装置，在LabVIEW编程环境下开发后台程序和使用界面，使用户操控LabVIEW前面板使用界面的虚拟仪器按键，实现物体升降以及力传感器数据采集的数字化控制，并通过摄像头将实验现场情况实时地反馈至前面板，实验装置实物图如图2所示.

图1 实验装置示意图

图2 实验装置实物图

2 实验方法

1)观察物体浸在液体的体积增大过程中，2只力传感器F1和F2的数据动态变化.

悬挂物体后，在“动态图像显示”选项卡，单击“开始采集”按钮开启数据采集. 调整“实验操作”面板中“改变重物升降高度”值为10 cm，选择重物运动方向为“下降”，单击“开始升降”按钮，物体下降过程中，数据被采集并显示在波形图表中. 过程完成后，点击“暂停采集”按钮.

结果显示，随着物体浸在液体中体积增大，力传感器1随时间的变化曲线呈下降趋势，近乎同时，力传感器2随时间的变化曲线呈上升趋势，且二者趋势改变的程度相差无几，实验结果如图3所示.

图3 力传感器随物体浸在液体中体积增大数据变化曲线

2)验证阿基米德原理实验过程中，物体浸入液体每个时刻和状态都定量遵循公式F浮=G排.

物体浸入液体前，杯子处于空杯时，在“实时数据采集”选项卡，单击“单次采集开始”按钮，采集力传感器1和2的数据，并记录为G桶和G物.

调整“实验操作”面板中“改变重物升降高度”值选择1 cm、选择重物运动方向为“下降”，使重物下降设定高度后自动停止，维持浸在液体中静止状态，单击“单次采集开始”按钮，采集力传感器1和2的数据，并记录为F1和F2的力值在表格中. 单击“计算F浮”“计算G排”按钮，该状态对应的F浮和G排的数值通过公式自动计算出来.

再设定“改变重物升降高度”令重物再次下降，从而改变重物浸在液体中的体积. 多次重复实验，数据结果证实实验遵循公式F浮=G排，如图4所示.

图4 验证阿基米德原理公式F浮=G排

以上实验探究，可以帮助学生了解各力学量随着物体浸在液体体积增大过程的动态变化，突破对物体逐步浸入液体中各力学量随时间变化的图像描述的教学难点. 在F浮=G排的定量验证实验中，使教师能平稳改变物体浸在液体中的体积，保证得到的数据有规律地递进变化. 分析数据可以增强学生对规律本质的理解，体会物体在液体中不同浸入体积时各静态瞬间公式的适用性.

3 结束语

利用虚拟仪器的自动化和灵活开发性等优势，实现了阿基米德原理探究实验的控制、数据采集与可视化等功能，提高实验效率的同时，展示效果和教学效果得到强化. 此外，利用虚拟仪器教学开拓了学生视野，使学生感受科技改善教学的手段，提高信息素养. 虚拟仪器与教学的结合应用，给传统教学设计和实验运作都提供了崭新的思路.