一、從“稱”的演變看電子秤的獨特性：為什么它能替代傳統(tǒng)秤？演講人01從“稱”的演變看電子秤的獨特性：為什么它能替代傳統(tǒng)秤？02電子秤的“稱重”原理：從壓力到電信號的神奇轉(zhuǎn)換03電子秤的“數(shù)據(jù)顯示”原理：從電信號到數(shù)字的“翻譯之旅”04電子秤的“精準(zhǔn)密碼”：那些容易被忽略的細(xì)節(jié)05總結(jié)：從電子秤看“科學(xué)與生活的雙向奔赴”目錄2025小學(xué)五年級科學(xué)下冊電子秤的稱重與數(shù)據(jù)顯示原理課件各位同學(xué)、老師們，今天我們要一起探索一個藏在生活里的“科學(xué)小管家”——電子秤。作為每天都能在超市、快遞站、甚至家里見到的工具，它究竟是如何“讀懂”物體重量，又如何把數(shù)字清晰地顯示出來的呢？作為一名從事科學(xué)教育十余年的教師，我常帶著學(xué)生拆解過不同型號的電子秤，也收集過孩子們最常問的問題。今天，我們就從“稱重”和“數(shù)據(jù)顯示”兩個核心環(huán)節(jié)出發(fā)，像拆解拼圖一樣，一步步揭開電子秤的秘密。01從“稱”的演變看電子秤的獨特性：為什么它能替代傳統(tǒng)秤？從“稱”的演變看電子秤的獨特性：為什么它能替代傳統(tǒng)秤？要理解電子秤的原理，我們首先要回顧“稱重工具”的發(fā)展歷程。大家還記得上學(xué)期自然課學(xué)過的“杠桿原理”嗎？古代的桿秤、天平，都是利用杠桿平衡來比較重量；后來出現(xiàn)的彈簧秤（比如我們實驗室的彈簧測力計），則是利用“胡克定律”——彈簧的伸長量與所受拉力成正比。但這些傳統(tǒng)工具都有明顯局限：桿秤需要反復(fù)調(diào)整秤砣位置，對視力和操作要求高；彈簧秤用久了彈簧會疲勞，精度下降；而電子秤的出現(xiàn)，正是為了解決這些問題。我曾帶學(xué)生做過一個對比實驗：用同一袋500克的食鹽，分別用桿秤、彈簧秤和電子秤稱量。桿秤需要調(diào)整三次秤砣位置才穩(wěn)定，彈簧秤顯示495克（因彈簧老化），而電子秤直接跳出“500.0g”。這個實驗讓孩子們直觀感受到：電子秤的核心優(yōu)勢是“快速、精準(zhǔn)、智能化”，而這一切都源于它內(nèi)部的“科技大腦”。02電子秤的“稱重”原理：從壓力到電信號的神奇轉(zhuǎn)換電子秤的“稱重”原理：從壓力到電信號的神奇轉(zhuǎn)換電子秤的“稱重”過程，本質(zhì)上是一個“力→電信號”的轉(zhuǎn)換過程。就像我們用麥克風(fēng)把聲音轉(zhuǎn)成電信號，用攝像頭把光轉(zhuǎn)成電信號一樣，電子秤用的是“力傳感器”。接下來，我們分三步拆解這個過程：1第一步：壓力傳遞——稱重平臺的“受力擔(dān)當(dāng)”當(dāng)我們把物體放在電子秤的托盤上時，首先接觸的是“稱重平臺”。這個看似普通的金屬或塑料板，其實是一個“力的傳遞者”。它的下方連接著一個關(guān)鍵部件——稱重傳感器（也叫“荷重傳感器”）。為了保護傳感器不被過大的力損壞，平臺邊緣通常設(shè)計有“限位裝置”（比如幾個小凸起），就像給傳感器戴上“安全帽”。我曾拆開過一個家用電子秤，發(fā)現(xiàn)稱重平臺和傳感器之間用螺絲緊密連接。當(dāng)我放上一個蘋果，平臺微微下沉，傳感器被“壓”了一下——這個“壓”的動作，就是力傳遞的開始。2第二步：力電轉(zhuǎn)換——應(yīng)變片與惠斯通電橋的“合作表演”稱重傳感器的核心是應(yīng)變片（StrainGauge）。它是一片非常薄的金屬箔（厚度只有幾微米），表面有細(xì)密的網(wǎng)格紋路。當(dāng)傳感器受到壓力時，會發(fā)生微小的形變（拉伸或壓縮），應(yīng)變片也會隨之變形。金屬的電阻有個特性：長度變長時電阻增大，被壓縮時電阻減小。因此，應(yīng)變片的電阻會隨著壓力大小變化——這就是“壓阻效應(yīng)”。但單個應(yīng)變片的電阻變化非常?。赡苤挥袔缀翚W），直接測量幾乎不可能。這時候，惠斯通電橋電路就登場了。它由四個應(yīng)變片組成（兩個受拉、兩個受壓），連接成一個“橋”形電路。當(dāng)沒有壓力時，四個應(yīng)變片的電阻相等，電橋平衡，輸出電壓為0；當(dāng)有壓力時，兩個應(yīng)變片電阻增大，兩個減小，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的微弱電壓信號（通常只有幾毫伏）。2第二步：力電轉(zhuǎn)換——應(yīng)變片與惠斯通電橋的“合作表演”為了讓同學(xué)們更直觀理解，我們可以做個模擬實驗：用四個相同的定值電阻代替應(yīng)變片，連接成電橋電路，用電壓表測量輸出端。當(dāng)用手輕輕按壓其中兩個電阻（模擬受壓變形），電壓表指針會明顯偏轉(zhuǎn)——這就是電橋輸出信號的原理。3第三步：信號放大——運算放大器的“力量倍增器”應(yīng)變片和電橋輸出的電壓信號非常微弱（可能只有0.001V），就像蚊子的叫聲，需要“放大”才能被后續(xù)電路處理。這時候，運算放大器（Op-Amp）就像一個“擴音器”，將微弱的電壓信號放大幾十到幾百倍（比如放大到1V）。放大后的信號更“強壯”，可以被下一步的“數(shù)字轉(zhuǎn)換”電路識別。我在實驗室用示波器觀察過放大前后的信號：放大前的波形像起伏很小的波浪，放大后變成了清晰的“大山”，這種對比讓學(xué)生們對“信號放大”有了直觀印象。03電子秤的“數(shù)據(jù)顯示”原理：從電信號到數(shù)字的“翻譯之旅”電子秤的“數(shù)據(jù)顯示”原理：從電信號到數(shù)字的“翻譯之旅”有了放大后的電壓信號，電子秤還需要完成兩個關(guān)鍵步驟：把模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號（AD轉(zhuǎn)換），再把數(shù)字信號“翻譯”成我們能看懂的數(shù)字顯示。1第一步：AD轉(zhuǎn)換——模擬信號的“數(shù)字化變身”我們生活中的大多數(shù)物理量（如溫度、壓力、聲音）都是模擬信號（連續(xù)變化的信號），而電子設(shè)備處理的是數(shù)字信號（0和1組成的離散信號）。因此，放大后的模擬電壓信號需要通過AD轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。AD轉(zhuǎn)換的過程可以類比“拍照”：模擬信號是一段連續(xù)的“電影”，AD轉(zhuǎn)換器每隔極短的時間（比如百萬分之一秒）“拍一張照片”（采樣），然后把每張“照片”的亮度（電壓大?。┯枚M制數(shù)表示（量化）。例如，一個12位的AD轉(zhuǎn)換器可以把0-5V的電壓分成4096個等級（212=4096），每個等級對應(yīng)一個數(shù)字代碼（如000000000000到111111111111）。1第一步：AD轉(zhuǎn)換——模擬信號的“數(shù)字化變身”為了幫助理解，我們可以用“分蛋糕”打比方：把0-5V的電壓比作一個5寸的蛋糕，AD轉(zhuǎn)換器把它切成4096塊小蛋糕，每塊的大小就是電壓的最小分辨單位（約0.00122V）。物體越重，電壓越高，對應(yīng)的“蛋糕塊”編號就越大。2第二步：單片機處理——電子秤的“小大腦”轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號會被傳輸?shù)絾纹瑱C（MicrocontrollerUnit，MCU），這是電子秤的“核心大腦”。單片機內(nèi)部有預(yù)先編寫好的程序（我們稱為“固件”），它的主要任務(wù)是：校準(zhǔn)修正：電子秤出廠前會進行校準(zhǔn)（比如放1kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼，記錄對應(yīng)的數(shù)字信號值），單片機根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成實際重量（比如數(shù)字代碼1000對應(yīng)1kg）。濾波處理：生活中可能有振動、電磁干擾，導(dǎo)致信號波動。單片機可以通過“滑動平均”等算法，剔除異常值，讓顯示的數(shù)字更穩(wěn)定（比如連續(xù)取5次測量值的平均值）。單位轉(zhuǎn)換：根據(jù)用戶需求，把克（g）轉(zhuǎn)換成千克（kg）、盎司（oz）等單位。我曾帶學(xué)生用Arduino單片機模擬過這個過程：連接一個壓力傳感器，編寫簡單的校準(zhǔn)程序，當(dāng)放上不同重量的物體時，串口監(jiān)視器會輸出對應(yīng)的數(shù)字——雖然比實際電子秤簡單，但孩子們直觀看到了“大腦”是如何工作的。3第三步：顯示輸出——從數(shù)字代碼到屏幕上的“數(shù)字”經(jīng)過單片機處理后的重量數(shù)據(jù)，需要通過顯示模塊呈現(xiàn)出來。常見的顯示方式有兩種：LCD液晶顯示（LiquidCrystalDisplay）：通過電場控制液晶分子的排列，阻擋或允許背光通過，形成數(shù)字圖案。LCD的優(yōu)點是功耗低，適合電池供電的電子秤。LED數(shù)碼管顯示（LightEmittingDiode）：由多個LED燈珠組成“8”字形，通過點亮不同位置的燈珠顯示數(shù)字（比如數(shù)字“1”需要點亮右上下兩個燈珠）。LED的優(yōu)點是亮度高，適合光線昏暗的環(huán)境。無論是LCD還是LED，顯示模塊都需要接收單片機發(fā)送的“顯示指令”（比如“顯示500克”），然后控制對應(yīng)的像素或燈珠發(fā)光。我們可以觀察超市電子秤的屏幕：當(dāng)放上商品時，數(shù)字會從0開始快速跳動，最后穩(wěn)定下來——這正是單片機處理數(shù)據(jù)并發(fā)送顯示指令的過程。04電子秤的“精準(zhǔn)密碼”：那些容易被忽略的細(xì)節(jié)電子秤的“精準(zhǔn)密碼”：那些容易被忽略的細(xì)節(jié)電子秤能做到“精準(zhǔn)到克”甚至“毫克”，離不開一些“隱藏的科技”：1溫度補償：環(huán)境溫度的“干擾消除術(shù)”應(yīng)變片的電阻不僅隨壓力變化，還會隨溫度變化（金屬的電阻溫度系數(shù)）。為了消除溫度影響，傳感器內(nèi)部通常會有“溫度補償電阻”，或者在單片機程序中加入溫度修正算法（比如測量環(huán)境溫度，調(diào)整校準(zhǔn)系數(shù)）。這就是為什么電子秤在冬天和夏天都能保持精準(zhǔn)的原因。2過載保護：電子秤的“自我保護機制”如果我們故意放上超過量程的重物（比如10kg的秤放15kg），傳感器可能會永久變形。因此，電子秤內(nèi)部通常有“機械限位”（比如金屬擋片），當(dāng)壓力過大時，稱重平臺會被限位裝置頂住，避免傳感器過度形變。有些高端電子秤還會通過軟件檢測異常信號，直接鎖定屏幕并提示“過載”。3低功耗設(shè)計：電池的“長壽秘訣”家用電子秤通常用紐扣電池或AA電池供電，為了延長續(xù)航，電路設(shè)計非常注重低功耗：平時處于“睡眠模式”，只有檢測到壓力變化（比如放上物體）才會喚醒；AD轉(zhuǎn)換器和單片機采用低功耗芯片；顯示模塊在無操作時自動熄滅。我曾拆解過一個用了2年的電子秤，電池電量仍有80%，這就是低功耗設(shè)計的功勞。05總結(jié)：從電子秤看“科學(xué)與生活的雙向奔赴”總結(jié)：從電子秤看“科學(xué)與生活的雙向奔赴”回顧今天的探索，電子秤的工作原理可以總結(jié)為一個清晰的鏈條：壓力→傳感器形變→應(yīng)變片電阻變化→惠斯通電橋輸出電壓→信號放大→AD轉(zhuǎn)換→單片機處理→顯示輸出。這個過程中，我們看到了“力與電”的轉(zhuǎn)換（物理原理）、“模擬與數(shù)字”的對話（電子技術(shù)）、“程序與硬件”的協(xié)作（計算機科學(xué)）——這正是科學(xué)知識在生