利用DIS探究超重、失重现象

方　文　严国柱

(1. 江苏省无锡市硕放中学，江苏　无锡　214142；

2. 江苏省梅村高级中学，江苏　无锡　214112)

利用DIS探究超重、失重现象

方文1严国柱2

(1. 江苏省无锡市硕放中学，江苏无锡214142；

2. 江苏省梅村高级中学，江苏无锡214112)

摘要：传统实验装置演示超重和失重现象时由于受到仪器原理等因素的制约，变化过程时间短，学生无法仔细观察与定量分析实验数据.而利用DIS数字化实验、传感器等实验设备，让学生自己动手探究了超重失重的过程，有利于学生直观、形象的认识超重和失重现象，理解超重和失重、完全失重现象的本质.

关键词：高中物理；超重和失重；DIS数字化实验

1问题的提出

在人教版必修1第四章《牛顿运动定律》第7节《用牛顿运动定律解决问题(二)》中研究了超重和失重现象.教材以电梯启动、制动时，体重计的读数变化为问题引入，分析了超重和失重的现象和特点，指出：“人站在体重计上，下蹲、起立，也能看到超重和失重现象”.在教学实践中，电梯实验和体重计实验都属于定性实验，都不能对动态的物理过程做出定量的测量，只能暂停进行超、失重现象的演示.要理解超重和失重现象的本质，可先从实验角度定量研究其现象，再从理论推导其本质.

现阶段研究超重和失重现象的主要方法有以下几方面：利用拍摄电梯启动、运行、制动时体重计读数变化视频进行研究(如图1)；利用人站在体重计上下蹲、起立体重计读数变化现象进行研究(如图2)；利用超重和失重演示仪进行研究[1](如图3)；利用数字化实验进行研究[2](如图4).本文介绍以DIS系统进行的超重和失重现象的实验探究.

2基于DIS系统的超、失重现象的实验设计与分析

2.1实验装置

实验1、2的装置如图4和图5所示，主要由DIS系统(力传感器、数据采集器、数据线)、计算机、钩码、细线、海绵垫组成.用数据线将力传感器与数据采集器、计算机连接起来，将力传感器下端用细线与钩码相连，手持力传感器使钩码在竖直方向做向上加速和减速运动、向下加速和减速运动.

实验3装置如图6、7所示，主要由DIS系统(力传感器、数据采集器、数据线)、计算机、透明塑料杯、乒乓球、打火机等组成.在透明塑料杯底部用透明胶带固定一小金属圆环，细线一端固定在乒乓球上，一端穿过圆环后连接在上端的金属丝上，细线绷紧，紧靠在塑料杯底部.将力传感器固定在铁架台上，下端与塑料杯固定.

2.2实验原理

所谓“超重”即物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)大于物体所受重力的现象，“失重”即物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)小于物体所受重力的现象.

设物体的质量为m，重力加速度为g，对物体的拉力或支持力(视重)为F，取物体加速度方向为正.

(1) 向上加速运动时，加速度a方向向上，F-mg=ma，有F>mg，视重大于重力，物体处于超重状态.

(2) 向上减速运动时，加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

(3) 向下加速运动时，加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

(4) 向下减速运动时，加速度a方向向上，F-mg=ma，有F>mg，视重大于重力，物体处于超重状态.

(5) 当加速度a=g时，mg-F=mg，有F=0，物体处于完全失重状态.

综上所述，当加速度a方向向上时，物体处于超重状态，当加速度a方向向下时，物体处于失重状态.

在实验3中，当研究几个物体组成的系统的加速上升和加速下降问题时，可以简化为关注系统的质心运动的超重和失重问题，即对悬挂物的拉力或对接触面的压力大于系统重力，还是小于系统重力问题.

本实验设计中，实验1、2的研究对象为钩码，实验3的研究对象为注满水的透明塑料杯和乒乓球组成的系统，视重F由力传感器测定，辅助计算机，画出F-t图像，分析图像，得出结论，培养学生的实验能力和图像分析能力.

2.3实验结果

启动DIS通用扩展软件，在工具栏中打开力传感器通道，调节为示波显示.

2.3.1实验1

如图5所示，钩码静止状态下手持力传感器向上加速运动后停止，后向下加速运动后停止，计算机记录F-t波形如图8所示.利用组合键Fn与PrntScm将页面复制到画图工具中，观察波形，学生分析波形各区间的含义，利用文本功能记录，归纳超重和失重现象的定义和本质.

学生归纳：(1) 水平线表示F=mg，物体处于静止状态或加速度a=0.

(2) 超重现象：视重大于重力.失重现象：视重小于重力.

(3) 超重与失重现象与物体的运动方向无关，由物体的加速度方向决定.

超重现象：加速度a方向向上，F-mg=ma，有F>mg，视重大于重力，物体处于超重状态.

失重现象：加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

2.3.2实验2

如图5所示，手持力传感器与钩码静止状态下释放，计算机记录F-t波形如图9所示.利用组合键Fn与PrntScrn将页面复制到画图工具中，观察波形，学生分析波形含义，利用文本功能记录，归纳完全失重的定义和本质.

学生归纳：完全失重现象：视重等于0.当加速度a=g时，F-mg=mg，有F=0，物体处于完全失重状态.

图 10

2.3.3实验3

问题：如图10所示，台秤上装有盛水的杯子，杯底用轻线系住一个木质小球，若轻线断裂，不计小球上升过程中水的阻力，则在小球上升过程中台秤的示数如何变化？

如图6、7所示，将力传感器固定在铁架台上，下端与塑料杯固定，稳定后用打火机烧断细线，观察波形(如图11所示)，分析波形含义.

学生归纳：设兵乓球的质量为m，水和水杯的总质量为M，重力加速为g.

(1) 水平线表示平衡状态下F=(m+M)g，a=0.

(2) 向上加速阶段，F>(m+M)g，a方向向上.

(3) 向上减速阶段，F<(m+M)g，a方向向下.

得出结论：(1) 乒乓球加速上升过程中，同体积的水加速向下运动，同体积的水质量大于乒乓球质量，系统处于超重状态.

(2) 乒乓球减速上升过程中，同体积的水减速向下运动，同体积的水质量大于乒乓球质量，系统处于失重状态.

3小结

超重、失重是牛顿第二定律在解决实际问题方面的运用，虽然较早出现了超重和失重演示仪，但受到仪器原理等因素的制约，现象时间短，学生无法仔细观察与定量分析实验数据.之后出现了电梯实验，并录制了视频，但较多老师讲解时也只是在理论推导层面进行分析，不可能把学生带去做电梯实验，缺乏真实感，学习效果不明显.在实验1和2中，利用DIS数字化实验系统，让学生自己动手，增强学生体验，从实验角度探究了超重失重的过程，突出了由加速度a方向判断超重失重状态的方法，有利于学生直观、形象的认识超重和失重现象，理解超重和失重、完全失重现象的本质.在实验3中，通过数字化设备，巧妙将一个有关超重和失重的难点问题用实验的方法呈现在学生的面前，让学生在感性和理性思维受到冲击的同时，凸显了物理学科以实验为基础的内涵，培养了学生对物理实验的设计和分析能力，提升了学生物理实验探究的兴趣.

参考文献：

[1] 陈起平，黄伙洪，刘一德.自制超重失重演示装置[J].物理实验，1985，(5)：189.

[2] 文林，李会.基于DIS的超重失重实验研究[J].科技信息，2013，(21)：47-48.