探究滑轮组机械效率实验装置的创新设计

陈剑峰

(莆田第二中学,福建 莆田 351131)

“机械效率”是人教版物理八年级下册第十二章第3节的内容,教材利用铁架台、滑轮组和木直尺等器材组装实验装置,测量不同物重下滑轮组的机械效率,通过分析实验数据归纳出提高滑轮组机械效率的方法. 经实践,教材实验存在以下不足:

a.滑轮组组装难度较大;

b.利用弹簧测力计匀速拉动重物,同时又要读数,误差较大;

c.利用木直尺测量重物移动的距离和弹簧测力计移动的距离,操作困难;

d.教材只研究了改变物重对滑轮组机械效率的影响,未进一步探究机械效率与动滑轮的重力、摩擦情况及滑轮绕线情况的关系;

e.教材实验操作时间较长,难以在课时有限的情况下对数据进行充分分析[1].

为解决以上问题,本文设计并制作了数字化探究滑轮组机械效率的装置,探究了滑轮组机械效率与物重、动滑轮重、摩擦情况及滑轮组绕线方式的关系.

1 实验装置的设计与制作

实验器材:ESP-WROOM-32模块、HX711称重传感器AD模块、1 kg称重传感器、OLED模块、电路板、制作力传感器的电子元件、12 V直流电源(可调压)、DC5.5-2.1母头、钮子开关(6脚3挡)、45转12 V的37GB520减速电机、电机支架、木板底座、2020铝轨框架、亚克力板(UV刻度线)、滑轮、硅胶垫片、磁力配重片、3D打印绕线盘和传感器外壳等配件.

1.1 力传感器系统的搭建

1)电路焊接. 将图1所示的各元件固定在电路板上,然后进行焊接,具体操作为:利用3.2 V磷酸锂电池为ESP32供电,将HX711模块的VCC,GND,DO/RX和CK/TX引脚分别与ESP32的VCC,GND,D2和D4引脚连接,OLED的VCC,GND,SCL和SDA引脚分别与ESP32的VCC,GND,D22和D21引脚相连接,并在ESP32的 D13与GND引脚之间接微动开关(调零与设置小数位数).

(a)HX711 (b)OLED

2)程序设计. 利用Arduino编程,将程序上传到ESP32模块上(需要利用钩码对传感器进行校准).

3)拓展功能设计. 利用Phyphox editor或VB编辑实验专用软件,通过蓝牙实时显示数据,方便课堂演示、观察及记录数据.

1.2 实验装置的制作

1)将尺寸为60 cm×40 cm带刻度线的亚克力板嵌入到2020铝型材制作的框架内,竖直固定在水平木板底座上,以方便测量绳子自由端移动的距离s和物体上升的距离h.框架中间安装可伸缩的螺杆用来挂动滑轮,辅助绕线,降低绕线难度.

2)将OLED显示屏、传感器调零开关、传感器电源开关、电机电源DC插头和控制电机的钮子开关安装在亚克力板相应位置,焊接电路.

3)用M5长螺丝分别穿过称重传感器的螺孔、厚垫片和2020铝型材专用螺母,并将称重传感器和减速电机固定在轨道上,将3D打印的绕线轮固定在电机转轴上,利用固定在绕线轮上的蜡线匀速提升重物,可直接显示拉力大小.

4)设计上、下轨道,快速固定力传感器和电机,实现竖直向上施力或向下施力.

5)利用磁吸配重片改变动滑轮的重力,在动滑轮轴上套不同厚度的硅胶垫片(见图2),来改变动滑轮、轮轴及硅胶垫片之间的摩擦力(轮轴前端有螺帽,将硅胶垫片环套进去,硅胶垫片越厚,轮、轴和硅胶垫片之间的摩擦力越大). 制作完成的实验装置如图3所示.

图2 改变动滑轮摩擦结构

图3 实验装置整体图

2 实 验

2.1 探究物重对滑轮组机械效率的影响

实验步骤:

1)将测力系统固定在下轨道上,闭合自制力传感器的电源开关,按下力传感器的清零键,完成测力系统调零.

2)将动滑轮挂在辅助螺杆上绕线,并在动滑轮下方挂上钩码,记录重力G物,标记物体与绳子自由端的位置.

3)打开电机控制开关(电机正转),匀速提升重物,让重物提升高度为h=0.05 m,闭合开关,记录拉力F和绳子自由端移动的距离s.

4)分别改变G物和滑轮组绕线方式(绕线方式不同,绳子受力段数n不同),重复以上操作,并记录数据,结果如表1所示.

表1 不同物重对应的滑轮组机械效率实验数据

由表1可知:当其他条件不变,物重越重,有用功占总功的比例越大,滑轮组的机械效率越高;滑轮组的机械效率还与绳子受力段数n有关,即同等物重下,n越大,摩擦力做功越多,即额外功越多,滑轮组的机械效率越低.

2.2 探究动滑轮重对滑轮组机械效率的影响

固定钩码数量和绕线方式,在G物=1.96 N,h=0.05 m,s=0.15 m和n=3的条件下,改变动滑轮重G动,重复2.1中的实验步骤,探究动滑轮重G动对滑轮组机械效率η的影响,此时系统的有用功W有=G物h=0.098 J,得到的实验结果如表2所示.

表2 不同动滑轮重对应的滑轮组机械效率实验数据

由表2可知:当其他条件不变时,动滑轮的重力越大,额外功越多,滑轮组的机械效率越低.

2.3 探究不同摩擦情况下的滑轮组机械效率

固定钩码数量和绕线方式,在G物=1.96 N,h=0.05 m,s=0.15 m和n=3的条件下,通过在动滑轮轴端套上不同厚度d的硅胶垫片来改变动滑轮的摩擦情况,重复2.1中的实验步骤,探究不同摩擦情况下,滑轮组的机械效率η,此时系统的有用功(W有=G物h=0.098 J),得到的实验结果如表3所示.

表3 不同摩擦情况下滑轮组机械效率的实验数据

由表3可知:当其他条件不变时,d越大,摩擦力越大,额外功越多,滑轮组的机械效率越低.

综上所述,提高滑轮组机械效率的方法有:

a.减小动滑轮的质量和滑轮组的摩擦来减少额外功;

b.在额外功不变的情况下,增加物体的重力可增大有用功.

3 结束语

现代信息技术正深刻地影响着中学物理实验教学,自制教具中融入数字化信息系统等现代化教学技术已成为新课程实施的有效途径[2]. 本实验利用自制数字化滑轮组机械效率实验装置,引导学生自主探究滑轮组的机械效率与物重、动滑轮重、摩擦力及滑轮组绕线情况的关系,能够有效地提高学生分析问题和解决问题的能力,让学生在“做中学,学中思”,并充分发挥了课程的实践性,以促进学生深度学习,有效培养学生的学科核心素养.