电子秤为常见衡器，生活中可用其称量物体（或“测量物体质量”）。电子秤工作原理是当物体放在秤盘上时，压力传感器（如应变片）在压力作用下发生弹性形变，导致其电阻变化，进而使电桥电路输出的模拟信号（电压）改变；该模拟信号经放大电路放大后，由模数转换器（ADC）转换为数字信号，输入CPU运算中心。CPU根据预设程序对数字信号进行处理，将结果显示在显示器上
［1］（
图1）。当电子秤平放在水平面上时，其内部程序会将传感器检测到的压力值（
F=
G=
mg，
G为物体重力，
g为重力加速度）通过公式
m=
F/
g换算为质量，因此示数通常显示物体的质量。基于此，也可通过示数（
m）反推物体对秤盘的压力（
F=
G）。在使用过程中，应确保电子秤放置在水平面上，以保证物体对秤盘的压力等于其重力，从而使质量测量准确。对于支持相对测量（如皮重清零）的电子秤，示数清零后，新增物体的质量会直接显示；若被测物品质量减小，示数前可能出现“-”号，表示质量减小的数值。
很多学生家中既有适合测量较大质量物体的电子体重秤，也有精度较高的厨用电子秤（部分可作为灵敏电子秤使用）。在教学中，教师既可引导学生利用电子体重秤测量质量较大的物体，又可借助灵敏电子秤提高质量测量的精确度；同时，还可适时创设问题情境，组织学生利用电子秤开展多种物理探究实验活动，这对激发探究兴趣、培养科学思维具有积极作用。
1 案例一：探究放在斜面上的物体对斜面的压力和物体重力的关系
初中阶段，学生对“压力”和“重力”的概念易混淆。在认识到水平面上物体对水平面的压力等于其重力后，受限于初中生尚未掌握力的分解知识，他们难以理解斜面上物体对斜面的压力大小不等于重力，且压力会随斜面倾角变化而改变。由于用弹簧测力计直接测量压力存在操作困难（如力的方向不易控制、读数不稳定），笔者引导学生开展“利用电子秤探究重物对斜面的压力大小随斜面倾角变化的规律”实践活动。
【某小组的探究方案】将微型电子秤底座固定在一块木板上，通过改变木板与水平面的夹角来改变秤盘的倾角；在塑料盒中装入大米，盒外贴双面胶以防止秤盘倾角较大时盒子滑动，控制塑料盒（含大米及双面胶）的总质量为200 g（确保每次实验物体质量不变）；每次改变秤盘的倾角后将示数清零，再将塑料盒放在秤盘上，读取电子秤示数，记录测量结果如
表1所示。为验证规律的普遍性，小组还改变塑料盒内大米质量（如100 g、300 g），保持秤盘倾角不变重复实验，通过分析数据归纳得出压力与秤盘倾角的关系（
表1）。
【分析实验数据，得出结论】电子秤示数大小对应被测物体对秤盘的压力大小。当秤盘水平且物体静止时，物体对秤盘的压力大小等于其重力（无其他竖直方向外力作用）。若将秤盘倾斜，倾角越大，同一物体对秤盘的压力就越小。
2 案例二：测量微小物体密度
通常是利用天平和量筒来测量物体密度，但在测量微小物体体积时，受量筒测量精度限制，导致测量不准确；在测量质量和体积较大物体时，又会因天平量程和量筒尺寸的制约而无法实现。对此，笔者给学生布置一个“问题解决”实验活动：利用灵敏电子秤帮助家长鉴别金银首饰的真假。实验小组设计多种不同测量方案，均能用电子秤较准确地测量出微小物品的密度。
【测量方案1】①用电子秤测量首饰的质量，记为m1；②在小杯子里装入适量的水，放在电子秤上，测出杯子和水的总质量，记为m2；③用细线悬挂好被测首饰，将首饰浸没入放在电子秤上的那杯水里，并确保首饰不触底，读取电子秤示数，记为m3；④被测首饰的密度为：。
【测量方案2】①将拴有细线的支架放在电子秤上，按下清零按钮；②将被测首饰用细线悬挂，读取电子秤示数，记为
m1；③将悬挂着的被测首饰浸没入水里，并确保首饰不触底，装水的杯子不接触秤盘（
图2），读取电子秤示数，记为
m2；④被测首饰的密度为：
。
通过评估交流，学生还发现：①与用量筒测体积的方法相比，这两种实验方案都避免了因量筒刻度读数及液面弯月面判断带来的误差，因此能提高测量精度。但需要注意，表面张力和物体是否完全被水浸润，仍可能对排开水的质量产生一定影响。②如果微小物体内部有空腔，则测出的是整个物体的平均密度，而不是构成该物体材料的真实密度。③如果物体表面有细小花纹，容易藏有空气泡，会导致测得的排水量偏大（m2偏小），从而使密度结果偏小。对此，可以在测量前用软毛刷轻轻刷洗，并在水中适当晃动，以排除气泡；必要时可用少量易润湿的液体（如含洗涤剂的水）改善浸润效果。④在方案1或方案2的基础上，如果换成精度足够的大量程电子秤（如电子体重计）和大容器（如水桶），并让物体悬挂在稳定支架上，也可以测量体积较大物体的密度。但需注意，电子体重计的分度值较大，若排开水的质量变化小于分度值，则测量会不准确，因此这种方法仅适用于排水量明显、能稳定操作的情况。
3 案例三：利用电子秤探究机翼的升力
在“流体的压强”教学中，教材安排了飞机机翼升力产生原因的探究活动，如用嘴对着机翼模型前端吹气，可观察到机翼绕细铁丝向上翘起
［2］。有学生提出疑问：这会不会只是气流对机翼后半部分的推力使其绕轴转动，而机翼整体并没有受到真正的向上升力？为验证“机翼整体是否受到向上的升力”，笔者布置了课后探究任务。有小组将机翼水平放置在电子秤上，先测出静止时的重量，再沿机翼上表面吹气，若电子秤示数减小，则说明有向上的力作用于机翼，从而证明机翼整体确实受到了升力。
【探究方案】①按教材图示制作几种不同尺寸的机翼模型（
图3），用细铁丝垂直穿过模型中心，并用热熔胶或支架将机翼水平固定在铁丝中部；②在底座上放一团橡皮泥，用于插入并固定细铁丝；③将铁丝竖直插在橡皮泥中，使机翼上表面（弧形面）朝上；④将整套装置放在电子秤上，按“清零”键归零；⑤用微型电风扇低挡位对准机翼前端水平吹风，待示数稳定后记录，填入表格；⑥将风扇调至高挡位，重复测量并记录（
表2）；⑦将铁丝倒转，使机翼弧形面朝下，重新检查水平后，重复步骤④~⑥；⑧更换不同尺寸的机翼，每次都要重新固定、清零，并重复③~⑦；⑨每组数据多次测量取平均值，以减小偶然误差；⑩风扇不要离电子秤太近，避免气流直接吹到秤体，可在风扇与机翼间加挡板。
【说明】在实验过程中，电子秤的示数会出现小幅波动，但在相同条件下波动范围较小。表格中记录的数据为该次实验里示数持续最久或重复出现最多的读数，作为该条件下的测量值。由于机翼的迎角对升力影响显著，改变迎角电子秤示数会发生明显变化，因此实验中应保持风扇水平吹气，并调整机翼姿态，使来流方向与翼弦线之间的夹角（迎角）保持恒定，避免机翼平面侧或弦线倾斜造成误差。
【分析实验数据，得出结论】当机翼模型圆弧面在上方时，电子秤的示数比初始值小，说明水平流动的空气对机翼产生了向上的作用力（升力）；在迎角与翼型不变的情况下，该力的大小与空气流速及机翼的有效受力面积呈正相关。当机翼模型圆弧面在下方时，电子秤的示数比初始值大，说明水平流动的空气对机翼产生了向下的作用力；在迎角与翼型不变的情况下，该力的大小也与空气流速及机翼的有效受力面积呈正相关。
4 案例四：定量测定通电导体在磁场中受到的力的大小
教材中“探究通电导体在磁场中受力运动”的实验，主要用于验证通电导体在磁场中会受到力的作用，并说明受力方向与电流方向、磁场方向有关，但无法定量探究受力大小与哪些因素有关。由于该力不仅数值较小，而且方向为水平，用弹簧测力计直接测量比较困难，而灵敏电子秤的精度可达0.1 g甚至0.01 g，通过测量受力引起的质量示数变化，即可换算出力的大小，这就为定量探究提供了可能。于是，笔者布置了“尝试利用灵敏电子秤探究通电导体在磁场中受力大小与哪些因素有关”的自主实验任务。有实验小组经过多次改进，最终成功测出了力的大小，并找出了其与电流、磁场等因素的关系，较好地完成了这一具有挑战性的任务。
【探究方案】①由于电子秤的秤盘和支撑结构多为铁质材料，易被磁场吸引或磁化，为避免磁场干扰测量结果，应将电子秤放置在远离磁场的位置。因此，通电导体所受的磁力必须通过非磁性材料制成的“力的传递”装置转移到秤盘上；②尽管电子秤灵敏度较高，为便于检测微小磁力，仍需将该力放大后传到秤盘，即可将传递装置设计为省力杠杆（
图4），以使作用在秤盘上的力大于导体所受的磁力；③在电路中串联电流表和滑动变阻器，可改变并测量通过导体的电流大小；④通过改变并排放置的U形磁铁数量，可改变导体在磁场中的有效长度（处于磁场区域内的导体长度）；⑤为减小连接导线的自重和形变对测量的影响，可用柔软的细漆包线绕成螺旋状连接通电导体两端，同时注意导线电阻不宜过大，并保证绝缘良好。
【分析实验数据，得出结论】通电导体在磁场中受到的力的大小与通过导体的电流大小、通电导体在磁场中的长度以及磁感应强度均有关系。在磁感应强度和电流方向与磁场方向的夹角保持不变的条件下，电流越大、在磁场中的长度越长，导体受到的磁场作用力就越大。如果有测定磁场磁感应强度的仪器，那么可以粗略定量探究该力与电流、导体在磁场中的长度以及磁感应强度之间的定量关系。
5 总结与反思
利用灵敏电子秤开展学生自主探究实验，关键在于教师在日常教学中关注课堂生成，重视学生在学习过程中提出的疑问和发现的问题，有目的地预设探究任务，并营造恰当的问题情境；同时，组织学生组建探究性学习小组，引导他们自主设计并实施具体的探究方案。
在物理实验教学中，引入信息化技术与工具，能够引导学生开展传统方法难以实现的实验项目，或改进原有探究活动中的不足，从而丰富实验课程的内容。同时，这有助于提升学生运用信息化、数字化、智能化技术的能力，并促进跨学科融合学习的开展。
在具体任务的探究过程中，学生综合运用已有知识与技能，经历合作、协商、方案改进等环节，深化对知识的理解；在动手实践中学会应用知识解决实际问题，提升实践能力与创新意识，逐步养成科学精神与科学态度。
此外，自主创新实验的设计与实施体现了以人为本的教育理念。通过真实的探究经历，学生的主体性和潜能得以激发，则教学能更好地满足其个性化成长需求
［3］。
京公网安备11010202008535号
PDF
(494KB)
