超重和失重現(xiàn)象的可視化自制演示教具

王 璐 徐曉梅

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

超重和失重是高中物理力與運動單元中的重點教學(xué)內(nèi)容,是牛頓運動定律知識的遷移和應(yīng)用.對高一學(xué)生來說,超重和失重現(xiàn)象比較抽象,理解起來不太容易,而且教室場地有限,教師很難幫助學(xué)生體驗超重和失重.在實際教學(xué)中,教師為了解決這一難題,制作了許多演示教具.如,液體壓強(qiáng)計演示裝置、[1]磁力演示裝置、[2]滑輪組演示裝置等.[3]雖然這些教具能表現(xiàn)物體的超重失重狀態(tài),但不能直接展現(xiàn)拉力和壓力的變化.為了直接展現(xiàn)拉力和壓力的變化,結(jié)合教具制作的 “直觀性”原則,[4]筆者設(shè)計了超重失重演示教具和完全失重演示教具.

1 超重失重演示教具

1.1 制作材料

高為1.6 m可拆卸的置物架一個、直徑為7 cm動滑輪兩個、直徑為8.8 cm的V型定滑輪兩個、量程為0-10 N的彈簧測力計一個、12 cm×6.5 cm×4 cm的硬紙盒一個、重物1個、電子秤一個、32 cm×20 cm×20 cm透明箱一個、5 cm×10 cm的木板一塊、帶有攝像功能的手機(jī)一個、細(xì)繩若干、塑料袋兩個、沙子若干、泡沫減震墊一個.

1.2 器材組成

圖1 超重失重演示儀裝置圖

圖2 運動箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 超重失重演示儀實物圖

輕繩的一端連接置物架上表面的彈簧測力計掛鉤,穿過兩個輕質(zhì)動滑輪連接運動箱,再穿過兩個定滑輪,另一端連接控制體.選用的滑輪摩擦較小,可減小摩擦對實驗造成的影響.組裝的實物圖如圖3所示.

1.3 實驗操作及原理

運動箱分別由a、b位置釋放,在控制體的配重與運動箱質(zhì)量的不同關(guān)系下,運動箱和重物呈現(xiàn)4種不同運動狀態(tài)——向下加速、減速和向上加速、減速.

用手控制運動箱靜止于a位置.實驗時,輕繩c松弛,右側(cè)配重物的實際質(zhì)量(m1)小于運動箱質(zhì)量(m)的一半,運動箱及重物向下做加速運動;當(dāng)輕繩c緊繃,此時右側(cè)配重物的實際質(zhì)量(m1+m2)大于運動箱質(zhì)量(m)的一半,運動箱及重物向下做減速運動.

1.4 實驗現(xiàn)象分析

根據(jù)運動箱和重物的豎直方向受力分析(如圖4所示),彈簧測力計和秤分別可以顯示運動箱及重物處于4種運動時拉力和壓力的大小.

(a) 重物受力分析圖

(b) 運動箱受力分析圖

由輕繩對運動箱的拉力(2F)與運動箱的重力(G)間的關(guān)系,可知運動箱所受合力的大小和方向的變化,使運動箱和重物的運動狀態(tài)及加速度方向發(fā)生變化,可以明顯看到運動箱和重物處于超重失重狀態(tài)時彈簧測力計和秤示數(shù)的變化.如表1、表2所示.

表1 運動箱由a處釋放超重失重狀態(tài)分析

表2 運動箱由b處釋放超重失重狀態(tài)分析

當(dāng)運動箱向下做加速運動,運動箱和重物均處于失重狀態(tài)時,彈簧測力計的示數(shù),以及秤的示數(shù)和該示數(shù)在屏幕上的投影分別如圖5(a)(b)(c)所示.

(a) 彈簧測力計的示數(shù)

(b) 秤的示數(shù)

(c) 秤投影在屏幕上的示數(shù)

1.5 教具優(yōu)點

該教具取材簡單、方便、易得,都是實驗室或生活中常見的器材,成本較低;置物架拆卸方便,適合教師在不同場所做演示實驗;學(xué)生能清楚地同時看到拉力和壓力的變化情況,體驗超重和失重;控制體通過配重巧妙地控制運動箱及重物運動使其處于超重失重狀態(tài),能夠激發(fā)學(xué)生探索的興趣,有助于培養(yǎng)學(xué)生探索的精神.

2 完全失重演示教具

2.1 材料及教具制作

兩端開口的透明盒子、彈簧、書簽、鐵盒各一個.彈簧的一端與透明盒子相連,另一端與一支書簽相連,彈簧伸長且書簽被一鐵盒壓住.裝置如圖6所示.

圖6 完全失重演示教具圖

2.2 教具原理

書簽被鐵盒壓住,書簽在水平方向上受到彈簧的彈力(F)和鐵盒與書簽、書簽與透明盒子間的摩擦力(f1、f2),書簽處于靜止.書簽水平方向的受力分析如圖7所示.

圖7 書簽水平方向受力分析側(cè)視圖

2.3 教具操作及現(xiàn)象

用手將透明盒子整體抬高,突然松手,透明盒子整體由高處自由下落.此時,透明箱、鐵盒、書簽都做自由落體運動,處于完全失重狀態(tài).鐵盒與書簽間、書簽與透明盒子間的壓力為0,則摩擦力為0,水平方向書簽只受彈簧的拉力,書簽逃離鐵盒的“魔爪”.

2.4 教具優(yōu)點

教具取材都是生活中常見的材料,卻有意想不到的效果,令學(xué)生耳目一新;該教具原理簡單,可重復(fù)性較強(qiáng),實驗現(xiàn)象明顯.

3 小結(jié)

上述的2個實驗教具,實驗操作方便,演示效果明顯.

但該實驗只能通過受力分析才能推斷完全失重這一狀態(tài),不能直接看到物體處于完全失重狀態(tài)時所受拉力或壓力變?yōu)?的情況,這方面還有待改進(jìn).