完全失重與向心力綜合演示儀

孫建清

[摘 要] 用自由落體的礦泉水瓶演示完全失重，用“水流星”演示向心力，都存在一些不足。文章介紹的創(chuàng)新裝置能同時演示上述兩種現(xiàn)象，并且操作方便、效果明顯、說服力強。

[關(guān)鍵詞] 完全失重 向心力

[中圖分類號] G633.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674 6058（2016）11 0078

演示“完全失重”實驗，大部分教師采用這樣的裝置：礦泉水瓶下端開個小孔，灌滿水，水流從小孔噴出；讓瓶子自由下落，水流消失。說明自由下落時，水對瓶壁無壓力，水處于完全失重狀態(tài)。本實驗存在以下幾個問題：（1）現(xiàn)象不明顯。水流細小且無色，學(xué)生（特別是后排的學(xué)生）看不清；（2）操作不方便，實驗時瓶口必須開著，接瓶時從小孔和瓶口灑出的水易弄濕地面和實驗者；（3）學(xué)生有質(zhì)疑，有的學(xué)生認為，下落時水仍會從小孔流出，只不過流速（相對于瓶子）變小，才看不到水流“噴出”，故這個現(xiàn)象不能說明水對瓶壁無壓力。另外，在向心力教學(xué)中，看了“水流星”演示實驗之后，學(xué)生仍然存有疑問。他們用慣性來解釋最高點時碗里的水沒流下來的原因是：水和盆子一起通過最高點的時間很短，由于慣性，水來不及流下來就“蕩”過去了，因此，該實驗不能說明最高點時水對盆子有壓力。為了解決上述問題，筆者精心設(shè)計制作了一個裝置，既能演示完全失重，也能進行向心力的定性演示，操作方便，效果明顯，說服力強。現(xiàn)介紹如下。

一、實驗原理

如圖1所示：將裝滿沙子的鐵盒放在釘有兩枚鐵釘?shù)哪緣K上，靜止時鐵盒對木塊有壓力，鐵盒與兩鐵釘?shù)尼斆苯佑|良好，電路導(dǎo)通，小電珠發(fā)光；自由下落時，整個裝置完全失重，鐵盒與木塊間無壓力，電路不導(dǎo)通，小電珠熄滅。因此，小電珠的發(fā)光與否間接地反映了鐵盒與木塊間有沒有壓力，進而判斷鐵盒是否處于完全失重狀態(tài)。

二、儀器制作

1.材料準備

直徑7cm鐵盒一個（可用“喉爽”盒子，用砂紙磨去下表面油漆，盒子內(nèi)裝細沙），直徑8.5cm、高3cm的圓柱形木塊一個，長4cm的鐵釘兩枚，5號電池兩只，電池盒一只，小電珠一只，細導(dǎo)線若干，螺絲三只，直徑9cm的透明塑料瓶一個（可用大可樂瓶，去掉瓶子上半部非圓柱形部分），細線若干。

2.制作過程

（1）在木塊中點兩側(cè)，距中點約2cm處，對稱地釘兩枚4cm長鐵釘，要求釘穿木塊，釘帽略高于木塊上表面；

（2）鐵釘下端焊接兩根細導(dǎo)線，按圖1連接好電路，電池固定在該木塊下表面，小電珠懸在空中；

（3）將此木塊放進瓶子下半部，從側(cè)面等間距地給木塊擰上三個螺絲，把木塊和瓶子緊固在一起；

（4）用加熱的細鐵絲在可樂瓶上端等間距地穿三個小孔，小孔邊緣要光滑；

（5）用三根等長的細繩（約30cm）分別穿過三個小孔并打結(jié)，再把三根繩的上端結(jié)在一起，結(jié)點上再連一根長約1m的細繩；

（6）將鐵盒放入瓶子即可開始演示，實物裝置如圖2所示。

三、儀器使用

1.演示完全失重：把鐵盒放入瓶內(nèi)，靜止時，小電珠亮，說明鐵盒對木塊有壓力；一手抓住繩子，另一手將瓶子舉高再釋放，可以看到，自由下落過程中，小電珠不發(fā)光；一手抓住繩子，另一手將瓶子分別上拋、下拋、斜拋，可以看到，瓶子拋出后到繩子繃緊前這段時間內(nèi)，小電珠均不發(fā)光。

2.演示豎直面內(nèi)做圓周運動的向心力：抓住繩子上端，讓瓶子以較快的速度在豎直面內(nèi)做圓周運動，可以看到，整個過程中，小電珠始終發(fā)光。這說明鐵盒對木塊始終有壓力，最高點也不例外。在最高點，鐵盒有向外飛的趨勢，緊緊地擠壓木塊，所以電路仍然導(dǎo)通！

本裝置中，若給小電珠再并聯(lián)一個小喇叭（賀卡上的音樂片），則電路導(dǎo)通時，既可看到燈光，又可聽到聲音，效果更加明顯。該儀器取材方便，制作簡單，效果明顯，說服力強，實驗過程干凈衛(wèi)生！實驗完畢，取出鐵盒即可。

[ 參 考 文 獻 ]

郭衛(wèi)東.低成本物理實驗的巧妙設(shè)計與應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2012（7）：1.

（責(zé)任編輯 易志毅）