用彈簧測力計探究超重與失重

袁梓童

一、實驗目的

探究彈簧測力計的示數(shù)究竟測量的是什么力，觀察不同場景下彈簧測力計示數(shù)的變化，研究彈簧測力計示數(shù)大小與運動狀態(tài)的關系，以及超重與失重的概念。

二、實驗材料

彈簧測力計（1N），小卷膠布，凳子，中性筆。

三、實驗過程

1.將彈簧測力計調(diào)零（之后每個與測量有關的步驟首先都要調(diào)零），并將中性筆掛在掛鉤上，待穩(wěn)定后觀察示數(shù)。此彈簧測力計量程為0～1N，分度值為0.02N。如圖2所示，此中性筆受重力約0.1N。

2.接下來，觀察走路、騎車、電梯升降等情景下，彈簧測力計示數(shù)的變化。以上每個場景中的被測量物都是上一步驟中重力為0.1N的中性筆。

（1）走路時

a.過程與現(xiàn)象

將中性筆掛在彈簧測力計上，繞房間走幾個來回，觀察彈簧測力計的示數(shù)變化，用相機記錄。回放視頻時可以發(fā)現(xiàn)，走動時指針在0.1N的位置上下擺動，幅度最大可達0.14N。轉身時，指針擺動幅度較大。

b.猜想

人走動時，從靜止狀態(tài)到運動狀態(tài)，被掛在彈簧測力計上的中性筆在慣性的作用下前后、左右擺動，給彈簧測力計來自不同方向、不同大小的力。在這些力的影響下，彈簧測力計出現(xiàn)不規(guī)則的上下?lián)u擺。

人行走時，中性筆并不是勻速直線運動。人的雙腳交替前進，前腳邁出，后腳跟著地，為了配合身體協(xié)調(diào)，后腳有略微踮腳的動作，由此交替。在此過程中，彈簧測力計的指針便出現(xiàn)一高一低的情況，類似波浪線。

（2）騎車時

a.過程與現(xiàn)象

將彈簧測力計用膠布粘在自行車上（盡量使彈簧測力計垂直于地面），調(diào)零完畢后，推動車子來回作勻速運動，運動軌跡盡量保持在一條直線上。在運動過程中，觀察彈簧測力計的示數(shù)變化。向左運動時，中性筆與彈簧測力計整體向右偏，指針搖擺;向右運動時，中性筆與彈簧測力計向左偏，指針同樣搖擺。當車子停止運動時，相比之前“走路”時的指針變化幅度小很多，幾乎都在0.1N。

b.猜想

在騎車場景下，彈簧測力計的運動狀態(tài)是變速直線運動—勻速直線運動—變速直線運動。而在走路場景中，身體出現(xiàn)上下起伏、左右輕微晃動，很難保持勻速運動，因而彈簧測力計的指針擺動幅度大且不規(guī)則。而騎車時的勻速直線運動使指針擺動幅度很小。

（3）乘電梯時

a.過程與現(xiàn)象

將中性筆掛在彈簧測力計上，乘坐電梯上升和下降，觀察彈簧測力計的示數(shù)變化，用相機記錄。

在下降過程中，電梯啟動后，指針漸漸上升至0.08N，待電梯作勻速直線運動時，指針基本穩(wěn)定在0.1N的位置。電梯逐漸停止時，指針向上移動，變?yōu)?.12N，停穩(wěn)后，指針回到0.1N。

在上升過程中，電梯啟動后，指針漸漸下降至0.12N處。電梯作勻速直線運動時，指針基本穩(wěn)定在0.1N的位置。電梯逐漸停止時，指針向上移動至0.08N，停穩(wěn)后，指針回到0.1N。

b.猜想

電梯下降時，逐漸向下加速運動，給了電梯一個向下的加速度，彈簧測力計的拉力小于中性筆的重力，此時電梯里的中性筆處于失重狀態(tài)，指針向上移至0.08N。電梯速度逐漸穩(wěn)定、作勻速直線運動時，彈簧測力計的拉力與中性筆所受重力平衡，此時彈簧測力計示數(shù)回到0.1N。當電梯快要停止時，速度減緩，給電梯一個向上的加速度。此時彈簧測力計的拉力大于中性筆的重力，所以處于超重狀態(tài)，指針下移至0.12N。待電梯穩(wěn)定后，指針回到0.1N處。

電梯上升時，剛開始是向上的加速運動，彈簧測力計的拉力大于中性筆的重力，處于超重狀態(tài)，指針向下移動至0.12N。當電梯作勻速直線運動時，彈簧測力計的拉力與中性筆的重力平衡，故指針回到0.1N處。電梯快要停下時速度變緩，此時有一個向下的加速度，彈簧測力計的拉力小于中性筆的重力，處于失重狀態(tài)，所以指針向上移動至0.08N。停穩(wěn)后處于靜止狀態(tài)，指針回到0.1N處。

四、實驗結論

當彈簧測力計使用規(guī)范，器材穩(wěn)定，處于靜止或勻速直線運動時，彈簧測力計的示數(shù)才是所掛物體的重力。當處于加、減速，轉彎、振動狀態(tài)時，彈簧測力計的示數(shù)所表現(xiàn)出的物體的受力情況是超重或失重。超重時，彈簧測力計的示數(shù)大于原示數(shù);失重時，彈簧測力計的示數(shù)小于原示數(shù)。（指導老師：張藝凡）