基于“重物组”的超重失重演示实验的再改进

董 刚

(江苏省溧水高级中学 江苏 南京 211200)

基于“重物组”的超重失重演示实验的再改进

董 刚

(江苏省溧水高级中学 江苏 南京 211200)

在高中物理牛顿运动定律的应用教学中,超重与失重的条件是非常重要的知识点，学生理解起来也比较困难．为了突破难点，教师在教学中必然会通过演示实验来探究，通过实验的现象，启发学生思考，逐步引导出超重与失重的条件．但笔者发现很多教师在探究实验的设计中存在着不足，致使没有达到理想的效果．

1 实验存在的不足

(1)不便于学生的观测

在做探究实验时有的教师仅仅用测力计悬挂一个重物，用手提着测力计在竖直方向上下运动，从而使测力计处在运动中，致使学生不易观测到测力计指针的变化．

(2)单一的运动状态会对误导学生做出错误的判断

在做探究实验时有的教师设计的实验只能使物体在竖直方向上做加速向上或者是加速向下运动，这样很容易误导学生做出错误的判断，认为超重与失重的条件就是向上或者向下运动．

2 实验的改进

2.1 利用传感器进行力的测量

力传感器(图1)可以把测量的力通过电脑记录下来，并在屏幕上以力随时间变化的图像的形式进行显示(图2)，这样有利于学生的观察和分析．

图1 力传感器 图2 力随时间变化的图像

2.2 实验装置的设计改变单一的运动状态

(1)实验器材

铁架台，烧杯架(图3)，两个一端通过金属杆固的定滑轮组如图4所示，“重物组”如图5所示(分成3个部分重物A，挡板、重物B).

图3 烧杯环 图4 滑轮组 图5 重物组

(2)器材组装

如图6所示组装实验器材，通过铁架台悬挂滑轮组使固定端在下并使两个定滑轮处在同一水平线上．

图6 实验器材组装

用一根没有弹性的细绳穿过两个定滑轮，细绳的两端分别连接传感器和“重物组”．在“重物组”下落经过的轨迹上固定烧杯架，使重物组中的重物A顺畅的通过烧杯架的铁圈下落，重物组中的挡板及重物B被烧杯架铁圈挡住使其不能继续下落如图7所示．

图7 重物组下落的过程

(3)实验操作

首先演示向上运动过程中的超重与失重现象．在力传感器的下端挂上钩码，要求所挂的钩码与力传感器总的质量小于“重物组”总质量，大于“重物组”中重物A的质量．把“重物组”整体拉升到定滑轮处释放，在初始阶段力传感器拉着钩码向上做加速运动处于超重状态．而“重物组”向下加速，但当“重物组”经过烧杯架时，重物A通过烧杯架铁圈继续向下运动，而挡板和重物B被烧杯架阻止停止运动，从这时开始力传感器拉着钩码向上做减速运动处于失重状态．在电脑显示器上得到图8所示的曲线，通过图像可以看出拉力先是大于钩码所受的重力后小于钩码所受的重力．

图8 重物组向上运动过程中超重和失重的实验曲线

其次演示向下运动过程中的超重与失重现象．在力传感器下面增挂钩码但总质量仍要小于“重物组”的总质量．把力传感器连同钩码拉升到定滑轮处释放，在初始阶段力传感器与钩码向下做加速运动处于失重状态．而“重物组”中的重物A向上加速，但当重物A经过烧杯架时，将带动挡板和重物B共同向上运动，从这时开始力传感器与钩码向下做减速运动处于超重状态．在电脑显示器上得到如图9所示的曲线．通过图像可以看出拉力先是小于钩码所受的重力后大于钩码所受的重力．

图9 重物组向下运动过程中超重和失重的实验曲线

3 实验的再改进

3.1 铁架台的改进

在对得到的图形进行分析时笔者发现在碰撞发生后，如重物与挡板的碰撞、挡板与烧杯架的碰撞．都会出现很多大幅度的锯齿波，而且波谷显示的力比失重时的力还要小，如图9所示．笔者反复对实验进行观察，终于发现问题出在铁架台上，由于本实验需要较大的高度，所以笔者最开始所用的铁架台的铁杆高有1.5 m，所以在碰撞发生时会引起铁架台铁杆的振动．对实验带来较大的影响．经思考笔者设计了如图10所示的悬挂滑轮组的结构，这样就消除了振动的影响．测得的图形如图11所示．

图10 改进悬挂滑轮组的方法 图11 实验改进后的实验曲线

3.2 烧杯架的改进

开始时烧杯架与铁架台连接在一起，当采用新的悬挂滑轮组的方式后．笔者用两块带有间距的木板替换烧杯架，并单独固定在重物组的下方如图12所示，这样就避免了碰撞对支架的影响.

图12 烧杯架的改进

4 注意事项

首先，“重物组”质量与钩码质量的关系，要保证钩码与力传感器的总质量大于重物A的质量小于“重物组”的质量，笔者在向上运动的过程中选用了的钩码100 g，A重物100 g，B重物200 g，在向下运动的过程中选用的钩码为100 g，A重物50 g，B重物250 g．并且在选择B重物时尽量选择横截面积大，厚度小的重物．笔者选择的是如图13所示的槽码，横截面积较大，厚度小，方便调节．

图13 实验选择的槽码

其次，减小碰撞带来的影响，碰撞后在图像中会出现很多锯齿形的图形．为减少这样的图形，笔者在烧杯架铁圈的上面和重物A的上面各固定了一层橡皮泥．

再次，尽量选择弹性小的细绳，同样可以减少碰撞后的锯齿形图形．

最后,数据线带来的影响．因本学校的传感器均为用数据线连接，所以当传感器在运动过程中会受到数据线拉力的影响．如果有条件的学校尽量采用无线传感器，这样实验的效果会更好．

5 实验的特点

(1)通过力传感器的使用，实现了拉力的测量与观测．改善了测力计与物体同时运动时示数难以观测的缺点．

(2)利用“重物组”实现在同一个方向上运动既存在超重现象也存在失重现象．这样就不会对学生产生错误的引导．更有利于学生做出正确的分析．

师：那么，功的正负表示什么呢？

2016-09-07)