超重 失重可視儀

曹志剛

（米易中學(xué)校 四川 攀枝花 617200）

1 超重 失重可視儀的制作背景

圖1 實(shí)驗(yàn)室的超重失重演示器

超重和失重是運(yùn)動(dòng)物體的視重不再等于物體重力的大小.目前實(shí)驗(yàn)室提供的演示儀器（圖1），其力的示數(shù)盤隨著物體一起快速運(yùn)動(dòng)，觀察者很難讀出視重的大小.為此，教師在教學(xué)中往往只能讓學(xué)生感性的理解超重、失重現(xiàn)象，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)力的變化印象不深刻，從而，在實(shí)際應(yīng)用中往往抓不準(zhǔn)現(xiàn)象的本質(zhì)，出錯(cuò)率普遍偏高.

2 超重 失重可視儀改進(jìn)的結(jié)構(gòu)原理

圖2 改進(jìn)儀器的結(jié)構(gòu)原理

如何將一個(gè)隨物體運(yùn)動(dòng)的示數(shù)盤轉(zhuǎn)化為不動(dòng)的示數(shù)標(biāo)尺，成為該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵.因物體僅在一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，而在其垂直方向是靜止不動(dòng)的（圖2）.筆者在彈簧的末端加上一個(gè)小激光發(fā)生器，通過(guò)平面鏡將彈簧形變量的變化轉(zhuǎn)換到與運(yùn)動(dòng)垂直的方向上.這樣，如果彈簧上的力不變，光點(diǎn)在垂直于運(yùn)動(dòng)的方向上就不會(huì)移動(dòng)；如果力發(fā)生變化，光點(diǎn)將會(huì)在垂直于運(yùn)動(dòng)的方向上移動(dòng)相應(yīng)的距離，從而把運(yùn)動(dòng)的示數(shù)盤轉(zhuǎn)換為不運(yùn)動(dòng)的示數(shù)標(biāo)尺.這樣，學(xué)生就能更直觀地觀察超重、失重現(xiàn)象，并且能定量地記錄超重和失重時(shí)力的大小.通過(guò)類似的方法還可以直觀地測(cè)出連接體間的內(nèi)力大小.

3 設(shè)計(jì)超重 失重可視儀的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）“以靜制動(dòng)”將隨物體一起快速運(yùn)動(dòng)的示數(shù)盤轉(zhuǎn)化為靜止的示數(shù)標(biāo)尺，利于觀察；

（2）光線代替?zhèn)鹘y(tǒng)指針，實(shí)現(xiàn)易于改變方向和可延長(zhǎng)性；

（3）直觀地測(cè)出連接體間內(nèi)力的大小.

4 超重 失重可視儀的操作

4.1 演示超重現(xiàn)象

圖3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置

（1）把 整 個(gè) 裝置固定在豎直平面內(nèi)（圖3）；

（2）打 開(kāi) 激 光器；

（3）在 可 視 儀端的掛鉤掛上0.5～1.0N的重物1（1～2 個(gè) 鉤 碼，50g／個(gè)）；

（4）在可視儀外端掛鉤掛一重物2，其重力大于重物1與可視儀兩者的重力之和（4～6個(gè)鉤碼，50 g／個(gè)）；

（5）讓可視儀所在一側(cè)處于裝置的最低點(diǎn)，并保證頂端兩個(gè)定滑輪處于豎直，細(xì)繩完全在滑輪內(nèi)（保證摩擦足夠小）；

（6）放手后，重物1加速上升過(guò)程中，觀察示數(shù)標(biāo)尺上紅色光點(diǎn)向左移動(dòng)的刻度，并把所測(cè)力的大小與重物1的重力進(jìn)行比較，則可說(shuō)明重物1所處的狀態(tài).

4.2 演示失重現(xiàn)象

前三步操作與演示超重現(xiàn)象相同，然后在可視儀外端掛鉤掛上重物2，其重力小于重物1與可視儀兩者的重力之和（2～3個(gè)鉤碼，50g／個(gè)）；讓可視儀處于裝置的最高點(diǎn).重物1加速下降過(guò)程中，觀察示數(shù)標(biāo)尺上紅色光點(diǎn)向右移動(dòng)的刻度，則可說(shuō)明重物1所處的狀態(tài).

4.3 測(cè)量連接體內(nèi)力的大小

如圖4所示，把可視儀連接在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)物體之間，可視儀的質(zhì)量歸入其中一個(gè)物體，讓可視儀與兩個(gè)物體以共同的加速度做勻加速度直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)通過(guò)紅色光點(diǎn)所指示的位置就可讀出兩個(gè)物體間的相互作用力，即測(cè)量出連接體間內(nèi)力的大小.

圖4 測(cè)量連接體內(nèi)力實(shí)驗(yàn)裝置

5 超重 失重可視儀進(jìn)一步完善的措施

由于彈簧在運(yùn)動(dòng)中存在動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，從而使拉力不斷地發(fā)生變化，應(yīng)想辦法把這種影響降到最低，使讀數(shù)在最短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，或者加長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，或者依賴阻尼使讀數(shù)趨于穩(wěn)定.