利用DIS改進(jìn)超重與失重實(shí)驗(yàn)

裴 超

(山東省鄒城市孟子湖中學(xué)，山東 鄒城 273500)

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

人教版《教師教學(xué)用書》在“超重和失重”中提出：“在一個(gè)臺(tái)秤上放置一個(gè)木箱，箱內(nèi)頂部懸掛一根彈簧，彈簧下系一重物。讓重物上下震動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察臺(tái)秤示數(shù)的變化情況。”但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)臺(tái)秤示數(shù)變化并不明顯，且指針晃動(dòng)過快不利于觀察。教材在本節(jié)的思考與討論中提出：“人站在力傳感器上完成下蹲動(dòng)作。觀察計(jì)算機(jī)采集的圖線”，雖然實(shí)驗(yàn)效果顯著，但此種類型力傳感器價(jià)格昂貴，許多學(xué)校不具備此條件。筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，利用DIS可以改進(jìn)超重與失重的實(shí)驗(yàn)。

2 基于DIS的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

2.1 方案一

2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，電子秤由托盤A、力傳感器B、底座C組成；如圖2所示，超重、失重現(xiàn)象演示儀由電子秤、塑料瓶D、彈簧E以及鉤碼F組成。

圖1

圖2

2.1.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 將力傳感器改裝成電子秤，受壓力作用時(shí)顯示為負(fù)值，受拉力作用時(shí)顯示為正值；

(2) 按圖2進(jìn)行儀器組裝，將傳感器與電腦相連；

(3) 下拉鉤碼后，由靜止釋放得到圖3所示的力與時(shí)間關(guān)系圖像；

圖3

(4) 利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，結(jié)合圖像分析得出超重、失重現(xiàn)象的定義。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)分析

分析圖3中物體的運(yùn)動(dòng)可知：0～1s鉤碼靜止，物體實(shí)重為0.4N；1～1.7s下拉鉤碼時(shí)傳感器所受壓力變大，由靜止釋放鉤碼，隨著鉤碼的上下振動(dòng)，力出現(xiàn)了忽大忽小的情況；1.7～1.8s鉤碼由靜止加速上升，電子秤所受壓力大于物體實(shí)重；1.8～1.9s鉤碼減速上升，電子秤所受壓力小于物體實(shí)重；1.9～2s鉤碼由靜止加速下降，電子秤所受壓力小于物體實(shí)重；2～2.1s鉤碼減速下降，電子秤所受壓力大于物體實(shí)重。

結(jié)合牛頓第二定律及失重與重力關(guān)系，可以得到超重與失重現(xiàn)象的定義，利用運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)加速度方向的判斷，可以得到加速度與超重、失重現(xiàn)象的關(guān)系。

2.2 方案二

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖4所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由力傳感器A、彈簧B、鉤碼C以及鐵架臺(tái)組成。

圖4

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 將力傳感器固定在鐵架臺(tái)上；

(2) 按圖4進(jìn)行儀器組裝，將傳感器與電腦相連；

(3) 下拉鉤碼后，由靜止釋放得到圖5的力與時(shí)間關(guān)系圖像；

圖5

(4) 利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，結(jié)合圖像分析得出超重、失重現(xiàn)象的定義。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)受力分析可知：傳感器所受拉力與鉤碼所受拉力大小相同，可用傳感器間接測出鉤碼所受力的變化。分析圖5以及物體的運(yùn)動(dòng)：0～2.5s鉤碼靜止，物體實(shí)重約為0.99N；2.5～4s下拉鉤碼時(shí)，傳感器所受壓力變大，由靜止釋放鉤碼，隨著鉤碼的上下振動(dòng)，力出現(xiàn)忽大忽小的情況；5.4～5.9s鉤碼由靜止加速上升，加速度方向向上，鉤碼所受拉力大于物體實(shí)重，出現(xiàn)超重現(xiàn)象；5.9～6.4s鉤碼減速上升，加速度方向向下，鉤碼所受拉力小于物體實(shí)重，出現(xiàn)失重現(xiàn)象；6.4～6.9s鉤碼由靜止加速下降，鉤碼所受拉力小于物體實(shí)重；6.9～7.5s鉤碼減速下降，加速度方向向上，鉤碼所受拉力大于物體實(shí)重，出現(xiàn)超重現(xiàn)象。

2.3 方案三

2.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖6所示，該實(shí)驗(yàn)裝置由力傳感器A、棉線B、手機(jī)C、定滑輪D以及鐵架臺(tái)組成。

圖6

2.3.2 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 在手機(jī)中打開“手機(jī)物理工坊”軟件，讓手機(jī)做自由落體運(yùn)動(dòng)后用手接住，得到圖7所示的加速度與時(shí)間關(guān)系圖像；

圖7

(2) 利用棉線通過上方兩個(gè)定滑輪將力傳感器與左側(cè)鐵環(huán)相連；

(3) 按圖6進(jìn)行儀器組裝，將傳感器與電腦相連；

(4) 下拉鐵環(huán)使手機(jī)向上運(yùn)動(dòng)至靜止，隨后讓手機(jī)向下運(yùn)動(dòng)至靜止，分別得到圖8所示手機(jī)運(yùn)動(dòng)的加速度與時(shí)間圖像，圖9為手機(jī)所受力與時(shí)間圖像；

圖8

圖9

(5) 結(jié)合圖像分析得出超重、失重現(xiàn)象與加速度的關(guān)系，驗(yàn)證方案一與方案二的結(jié)果。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)分析

通過步驟(1)，手機(jī)做向下的加速與向下的減速運(yùn)動(dòng)，加速度的方向先向下后向上，通過對(duì)圖7的分析可知，該軟件規(guī)定加速度向上為正值，向下為負(fù)值。從圖像中可以發(fā)現(xiàn)圖8與圖9吻合度較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性高。通過對(duì)圖8的分析，手機(jī)在運(yùn)動(dòng)中分別出現(xiàn)了超重、失重、失重及超重現(xiàn)象，通過對(duì)圖9的分析，手機(jī)在相同時(shí)間段內(nèi)加速度的方向分別為向上、向下、向下及向上。在對(duì)相同時(shí)間內(nèi)手機(jī)所出現(xiàn)的超重、失重現(xiàn)象及加速度方向進(jìn)行分析，可以得出加速度與超重、失重的關(guān)系。

3 結(jié)語

分析教材中實(shí)驗(yàn)的不足，在探究實(shí)驗(yàn)中利用DIS直觀呈現(xiàn)力的變化，結(jié)合物體運(yùn)動(dòng)并利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行分析，得到超重與失重的定義以及超重、失重與加速度的關(guān)系。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，利用手機(jī)軟件與DIS完成對(duì)加速度與超重、失重關(guān)系的驗(yàn)證，此過程也可以結(jié)合牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行理論分析，增強(qiáng)可信度。無論是探究性實(shí)驗(yàn)還是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，都充分突出了DIS的實(shí)時(shí)性、可視性、開放性強(qiáng)的特點(diǎn)。