基于“重物組”的超重失重演示實驗的再改進

董 剛

(江蘇省溧水高級中學 江蘇 南京 211200)

基于“重物組”的超重失重演示實驗的再改進

董 剛

(江蘇省溧水高級中學 江蘇 南京 211200)

在高中物理牛頓運動定律的應用教學中,超重與失重的條件是非常重要的知識點，學生理解起來也比較困難．為了突破難點，教師在教學中必然會通過演示實驗來探究，通過實驗的現象，啟發學生思考，逐步引導出超重與失重的條件．但筆者發現很多教師在探究實驗的設計中存在著不足，致使沒有達到理想的效果．

1 實驗存在的不足

(1)不便于學生的觀測

在做探究實驗時有的教師僅僅用測力計懸掛一個重物，用手提著測力計在豎直方向上下運動，從而使測力計處在運動中，致使學生不易觀測到測力計指針的變化．

(2)單一的運動狀態會對誤導學生做出錯誤的判斷

在做探究實驗時有的教師設計的實驗只能使物體在豎直方向上做加速向上或者是加速向下運動，這樣很容易誤導學生做出錯誤的判斷，認為超重與失重的條件就是向上或者向下運動．

2 實驗的改進

2.1 利用傳感器進行力的測量

力傳感器(圖1)可以把測量的力通過電腦記錄下來，并在屏幕上以力隨時間變化的圖像的形式進行顯示(圖2)，這樣有利于學生的觀察和分析．

圖1 力傳感器 圖2 力隨時間變化的圖像

2.2 實驗裝置的設計改變單一的運動狀態

(1)實驗器材

鐵架臺，燒杯架(圖3)，兩個一端通過金屬桿固的定滑輪組如圖4所示，“重物組”如圖5所示(分成3個部分重物A，擋板、重物B).

圖3 燒杯環 圖4 滑輪組 圖5 重物組

(2)器材組裝

如圖6所示組裝實驗器材，通過鐵架臺懸掛滑輪組使固定端在下并使兩個定滑輪處在同一水平線上．

圖6 實驗器材組裝

用一根沒有彈性的細繩穿過兩個定滑輪，細繩的兩端分別連接傳感器和“重物組”．在“重物組”下落經過的軌跡上固定燒杯架，使重物組中的重物A順暢的通過燒杯架的鐵圈下落，重物組中的擋板及重物B被燒杯架鐵圈擋住使其不能繼續下落如圖7所示．

圖7 重物組下落的過程

(3)實驗操作

首先演示向上運動過程中的超重與失重現象．在力傳感器的下端掛上鉤碼，要求所掛的鉤碼與力傳感器總的質量小于“重物組”總質量，大于“重物組”中重物A的質量．把“重物組”整體拉升到定滑輪處釋放，在初始階段力傳感器拉著鉤碼向上做加速運動處于超重狀態．而“重物組”向下加速，但當“重物組”經過燒杯架時，重物A通過燒杯架鐵圈繼續向下運動，而擋板和重物B被燒杯架阻止停止運動，從這時開始力傳感器拉著鉤碼向上做減速運動處于失重狀態．在電腦顯示器上得到圖8所示的曲線，通過圖像可以看出拉力先是大于鉤碼所受的重力后小于鉤碼所受的重力．

圖8 重物組向上運動過程中超重和失重的實驗曲線

其次演示向下運動過程中的超重與失重現象．在力傳感器下面增掛鉤碼但總質量仍要小于“重物組”的總質量．把力傳感器連同鉤碼拉升到定滑輪處釋放，在初始階段力傳感器與鉤碼向下做加速運動處于失重狀態．而“重物組”中的重物A向上加速，但當重物A經過燒杯架時，將帶動擋板和重物B共同向上運動，從這時開始力傳感器與鉤碼向下做減速運動處于超重狀態．在電腦顯示器上得到如圖9所示的曲線．通過圖像可以看出拉力先是小于鉤碼所受的重力后大于鉤碼所受的重力．

圖9 重物組向下運動過程中超重和失重的實驗曲線

3 實驗的再改進

3.1 鐵架臺的改進

在對得到的圖形進行分析時筆者發現在碰撞發生后，如重物與擋板的碰撞、擋板與燒杯架的碰撞．都會出現很多大幅度的鋸齒波，而且波谷顯示的力比失重時的力還要小，如圖9所示．筆者反復對實驗進行觀察，終于發現問題出在鐵架臺上，由于本實驗需要較大的高度，所以筆者最開始所用的鐵架臺的鐵桿高有1.5 m，所以在碰撞發生時會引起鐵架臺鐵桿的振動．對實驗帶來較大的影響．經思考筆者設計了如圖10所示的懸掛滑輪組的結構，這樣就消除了振動的影響．測得的圖形如圖11所示．

圖10 改進懸掛滑輪組的方法 圖11 實驗改進后的實驗曲線

3.2 燒杯架的改進

開始時燒杯架與鐵架臺連接在一起，當采用新的懸掛滑輪組的方式后．筆者用兩塊帶有間距的木板替換燒杯架，并單獨固定在重物組的下方如圖12所示，這樣就避免了碰撞對支架的影響.

圖12 燒杯架的改進

4 注意事項

首先，“重物組”質量與鉤碼質量的關系，要保證鉤碼與力傳感器的總質量大于重物A的質量小于“重物組”的質量，筆者在向上運動的過程中選用了的鉤碼100 g，A重物100 g，B重物200 g，在向下運動的過程中選用的鉤碼為100 g，A重物50 g，B重物250 g．并且在選擇B重物時盡量選擇橫截面積大，厚度小的重物．筆者選擇的是如圖13所示的槽碼，橫截面積較大，厚度小，方便調節．

圖13 實驗選擇的槽碼

其次，減小碰撞帶來的影響，碰撞后在圖像中會出現很多鋸齒形的圖形．為減少這樣的圖形，筆者在燒杯架鐵圈的上面和重物A的上面各固定了一層橡皮泥．

再次，盡量選擇彈性小的細繩，同樣可以減少碰撞后的鋸齒形圖形．

最后,數據線帶來的影響．因本學校的傳感器均為用數據線連接，所以當傳感器在運動過程中會受到數據線拉力的影響．如果有條件的學校盡量采用無線傳感器，這樣實驗的效果會更好．

5 實驗的特點

(1)通過力傳感器的使用，實現了拉力的測量與觀測．改善了測力計與物體同時運動時示數難以觀測的缺點．

(2)利用“重物組”實現在同一個方向上運動既存在超重現象也存在失重現象．這樣就不會對學生產生錯誤的引導．更有利于學生做出正確的分析．

師：那么，功的正負表示什么呢？

2016-09-07)