自制超重失重教學演示器

摘要：超重失重是牛頓運動定律的應用，亦是理解航空航天知識的理論基礎。教學中相關實驗器材匱乏，故結合電梯模型制作“超重失重教學演示器”，立意于把直觀的實驗現象（定性判斷）與數字化圖像（定量分析）結合起來，由現象認知遞進到圖像理解，由圖像分析反過來驗證現象，完成探究過程。

關鍵詞：超重失重；教具；數字化；制作

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148（2013）11（S）-0054-2

1背景

高中物理教學中，超失重部分缺乏理想的實驗或器材。教學中要求從實驗現象去認識超失重。常用實驗有：彈簧秤懸掛鉤碼做變速運動時示數變化；在臺秤上下蹲或起立時示數變化：塑料瓶底鉆孔使水流出，豎直上拋或自由落體時水不流出：紙帶懸掛重物突然變速。紙帶斷開；市面上常見超重失重演示器：利用定滑輪在圓盤測力計兩端懸掛重物，使測力計升降獲得超失重狀態觀察示數。

這些實驗存在不足：第一。只有定性觀察。缺少實驗數據的支持，感性認知遞進到理性認知存在困難；第二，實驗現象不方便觀察。如彈簧秤本身需移動，示數變化不易觀察：第三，定量數據不準確，教材中超失重定義由牛頓第二定律導出。實驗中不能獲得加速度與受力變化同步數據，故無法反過來驗證理論推導。鑒于此，筆者自制了超重失重演示器，利用傳統實驗方法與數字化實驗手段相結合。實現了定性觀察與定量分析相結合，既有直觀易見的物理現象，又有準確的實驗數據來幫助學生受力分析物理過程。

2原理

通過物體超失重現象控制不同指示燈工作，同時通過DISlab數字化系統同步采集受力與加速度數據。利用四根拉伸彈簧懸掛內置超失重感應模塊、電梯運行模擬模塊的箱體。在彈簧原長處釋放箱體，使箱體做上下往復的阻尼運動。在平衡位置上方，加速度向下，箱體內處于失重狀態，在平衡位置下方，加速度向上，箱體內處于超重狀態。

超失重感應模塊是在內部安裝紅綠兩色發光二極管工作回路的透明塑料盒。兩回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的兩銅片上，簧片置于兩銅片之間。在釋放箱體做阻尼運動的過程中，因為超失重現象。懸掛物對簧片拉力改變、簧片有規律地上下振動，接觸上下兩端的銅片連通回路，使得紅綠兩燈交替發光來標志超重與失重。因模塊本身在運動無法觀察，故在運行箱體內安裝攝像頭，鏡頭正對簧片位置，將簧片超失重現象呈現在計算機屏幕上。電梯運行模擬模塊原理是模擬電梯運行場景，將玩具小人在箱體運動過程中對箱體的壓力和加速度變化情況利用傳感器采集，同步輸出數據并繪制圖像，與簧片上下振動的現象對應。幫助學生清晰認知壓力與加速度大小方向的關系。這樣就實現了從實驗現象到數據圖像的遞進式認知。數據圖像亦可反過來驗證理論推導。

3制作

（1）材料

超失重感應模塊和電梯運行模擬模塊需要發光二極管、紐扣電池、發音集成電路、導線、揚聲器、雙面貼、自制簧片（由銅片制作）、圓盤、玩具小人、力傳感器和加速度傳感器。運行箱體和支架需要拉伸彈簧、小號塑料整理箱、攝像頭、釣魚線、金屬片、PVC塑料管（直徑32mm）、PVC管連接頭、L型角鐵和大號塑料整理箱。另加工過程中緊固部分需要螺絲及螺帽。

（2）工具

電烙鐵，電鉆，鋼鋸，銼刀，螺絲刀，鋼絲鉗，尖嘴鉗，砂紙，游標卡尺。

（3）制作過程

將發光二極管、紐扣電池、發音集成電路和揚聲器串聯成兩相同電路。兩回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的兩銅片上。將電路元件通過雙面貼粘在透明塑料盒的內壁上。將兩銅片和簧片一端九十度彎折，在彎折部分鉆孔穿螺絲，在塑料盒兩邊側壁上各挖一條卡槽，通過螺絲和螺帽將銅片及簧片固定在側壁上，使得銅片與簧片位置可任意上下調節。在小號塑料整理箱內壁上安裝卡扣。把前面制作的超失重感應模塊懸掛在其內壁上，即為運行箱體。在運行箱體底部及攝像頭底座上鉆孔。用螺絲將攝像頭固定并正對超失重感應模塊。這樣就將實驗中簧片的超失重現象顯示在了屏幕上。

剪出四塊三角形金屬片，大小與彈簧直徑相仿。將其插入彈簧中再彎曲尖端向上形成小盤卡住彈簧，用長螺絲穿過小盤再打孔固定在大號塑料整理箱上蓋即可懸掛彈簧。此處采用兩顆螺帽設計，便于上下調節高度，控制懸掛的運行箱體平衡。下端懸掛運行箱體部分使彈簧螺旋穿幾圈過鉆好的略小于彈簧直徑的圓孔，另在圓孔旁邊鉆三個小孔拴釣魚線固定彈簧。

在力傳感器上通過螺絲固定一放置玩具小人的圓盤。將力傳感器豎直固定于運行箱體內。將加速度傳感器固定于運行箱體側壁。這里條件允許可采用無線傳感器，避免因線材拉扯造成的誤差。在懸掛彈簧的長螺絲底部纏繞釣魚線，且在運行箱體上鉆孔使釣魚線貫穿運行箱體。另一端通過螺絲固定在底座上（自上蓋到底座長約2米），解決了箱體運行時側偏不穩定的問題。且摩擦較小。對實驗無影響。

將PVC管切割為16根長50cm的圓管，經打磨后一端與連接頭相連。做成類似火炬形狀的標準件，可自由插接延長。通過L型角鐵將8個連接頭固定在大號整理箱上蓋及底座對應位置（上下各4個）。使用時，將50cm長圓管相連接，4根為一個支柱。整理箱作為支架的上蓋與底座，將支柱插入上蓋和底座上固定好的連接頭中，即可搭起兩米高實驗裝置。不用教具時，可拆卸支架將所有元件內置于整理箱中，便于攜帶。

4使用

將運行箱體置于彈簧原長位置釋放，并同時按下鍵盤上數據采集開關（在計算機上利用鍵盤映射編寫宏命令。將DISlab軟件操作簡化，實現一鍵開始、回放等功能）。一方面，在運行箱體上下往復運動過程中可觀察到在平衡位置上方表示失重的綠燈亮，下方表示超重的紅燈亮：另一方面。在屏幕上可對應觀察簧片超失重現象和傳感器采集的壓力與加速度數值圖像。在課堂教學中畫面可通過投影儀或連接電視機放大觀看。超失重現象時間較短。實驗完畢后可點回放鍵將實驗過程慢鏡頭回放或定格觀察。

該超失重教學演示器把傳統實驗方法（定性）與數字化實驗手段（定量）結合起來，在教學過程中能夠激發學生興趣，既展示了物理過程。又詮釋了物理意義，一體化完成從現象認知到物理意義理解的探究過程。在制作過程中，除傳感器外（目前多數中學已配備數字化實驗設備）均使用閑置或低成本材料，且因模塊化、一體化、輕量化設計的原因，具有良好的推廣價值。

（欄目編輯 王柏廬）