基于DISLAB系統的“超重與失重”演示實驗改進

徐曉飛 錢長炎

(安徽師范大學物理與電子信息學院,安徽 蕪湖 241002)

高中物理“超重與失重”一般安排在牛頓運動定律的教學內容之后,要求學生在了解的基礎上進一步認識超重和失重現象.[1]在其教學過程中,現行的演示實驗存在著一些不足,不利于學生的學習.

鑒此,為克服這些缺點,筆者以生活中常見的電梯為模型,設計并制作出基于DISLAB系統的超重失重演示實驗裝置.

1 實驗設計思路

在“超重與失重”教學中,有多種方法可以演示超重與失重現象,如人站在體重計上下蹲和起立[2]、側面打孔且裝滿水的瓶子自由下落等[3].但這些方法或變化過程較為短暫或結果不夠直觀,不便于學生觀察和理解.這就需要我們改進出更加適合課堂教學的演示實驗裝置.

本實驗裝置是用繩子對力學傳感器向上的拉力代替電梯地板對物體向上的支持力,模擬電梯運行過程中加速上升、勻速上升以及減速上升和加速下降、勻速下降以及減速下降6種不同運動狀態,從而探究超重和失重現象的本質.改進的實驗裝置通過改變滑輪左側掛在繩端的鉤碼個數實現上述過程.

超重是物體對懸掛物的拉力(或對支持物的壓力)大于物體所受重力的現象； 失重是物體對懸掛物的拉力(或對支持物的壓力)小于物體所受重力的現象.設力學傳感器的質量為m1,所掛鉤碼質量為m2,傳感器視重為F,力學傳感器上下運動時加速度為a,加速度取豎直向上為正方向.

(1) 當模擬電梯加速上升和減速下降時,加速度a豎直向上,m2g-m1g=ma=F>0,即鉤碼的質量要大于傳感器的質量.

(2) 當模擬電梯減速上升和加速下降時,加速度a豎直向下,m2g-m1g=ma=F<0,即鉤碼的質量要小于傳感器的質量.

(3) 當模擬電梯勻速上升和勻速下降時,加速度a大小為0,m2g-m1g=ma=F=0,即鉤碼的質量等于傳感器的質量.[4]

2 實驗裝置及制作

本實驗裝置由以下部分組成(如圖1):滴定臺2個;長70 cm、寬30 cm的木板1個;長20 cm、寬3 cm的木條2根;滑輪2個;滑輪支架2個；長約1 m的細繩1根.

本實驗裝置制作過程如下.

圖1 改進的實驗裝置示意圖

(1) 將2個滑輪安裝進滑輪支架.

(2) 將2個木條用膠水粘結在一起,將之前安裝好的滑輪及滑輪支架用膠水固定在粘結好的木條上.

(3) 將組裝好的滑輪、滑輪組以及木條用膠水固定在木板上,并注意要安裝在木板的正中.

(4) 將2個滴定臺固定在一起,并將木板固定在滴定臺的支架上.

上升過程中的超重與失重現象

下降過程中的超重與失重現象

上升和下降過程中超重與失重現象的演示結果如圖2所示.

本實驗裝置選擇的滴定臺和普通鐵架臺相比,在實驗過程中產生的微小振動更少,從而減少儀器振動對實驗中波形圖結果的影響.同時木板和木條以及細繩都易于取材,便于制作.

3 小結

通過利用DISLAB系統對超重和失重演示實驗的重新設計和裝置的制作,我們發現本實驗裝置易于取材和制作，同時裝置實驗原理簡單,現象明顯,便于學生的觀察和理解,能有效地幫助學生認識超重和失重現象的本質.

在本實驗裝置的制作過程中,我們深深體會到演示實驗在物理教學中的重要性，我們也進一步認識到傳統實驗器材應當與現代信息技術有效結合,為中學物理實驗教學提供更為優質的方案,提升教學效果.這也應當成為我們物理教育工作者努力的方向之一.

參考文獻：

1 人民教育出版社. 普通高中物理課程標準(實驗)[M]. 北京:人民教育出版社,2003:12.

2 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心. 普通高中課程標準實驗教科書物理1必修[M]. 北京:人民教育出版社,2013:89.

3 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心. 普通高中課程標準實驗教科書物理1必修教師教學用書[M]. 北京:人民教育出版社,2009: 126.

4 王震,汪玉瑩. 自制模擬電梯演示儀,理解超重失重概念[J]. 物理教師,2017, 38(8):45-47，45.