在地面上做太空失重实验的创新方法

邓颖

摘 要：本文主要介绍了利用智能手机的慢动作摄像技术来观察物体超重、失重状态的一些特殊物理现象。利用平时用的整理箱和智能手机的慢动作摄像相结合，制作一个定滑轮支架，打造一个可以研究超重、失重现象的实验平台，可以进行超重、失重现象研究。

关键词：智能手机；慢动作摄像；失重；超重；同屏显示

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）7-046-3

在人教版必修一第四章第七节《超重与失重》部分的常规教学中，只能通过各种“巧妙”的实验，让学生“间接”感知超重和失重现象，学生不能直接观察到超重、失重现象，增加了学生对物理概念的理解难度。特别是学生最感兴趣的完全失重现象，一般只能播放一些太空里的视频。考虑到新课程提出的“体验探究，倡导创新”要求，笔者设计了创新实验，做到超重与失重现象可视化，将转“转瞬即逝”的物理过程进行“慢放定格”，把太空舱里的完全失重实验搬到地面上完成。

1 实验器材制作以及技术支持

整理箱改造：将日常生活中常用的衣服整理箱内部用胶水粘贴轻质塑料条，用来固定手机。在下方侧壁粘贴塑料泡沫板，起到支撑手机的作用。在底部放置大小合适的方木板，以防箱子被压坏，如图1所示。

滑轮支架设计：用长为2 m的方形空心管作为支撑，下方用铁皮固定，上方安装两组4个定滑轮，在上方固定电磁铁装置用来研究物体自由下落时使用（如图2所示）。

同屏幕显示技术：苹果手机的智能同屏幕显示技术，基于无线网络的支持。用手按住苹果手机屏幕从下向上拉，有“屏幕镜像”就是这个功能。需要在电脑上安装iTools工具，将二者匹配后，此时手机屏幕上显示的内容就可以同步显示到电脑屏幕上。

2 应用智能手机的慢动作摄像功能和自制仪器开展系列实验探究

2.1 在失重时磁铁受力状态变化探究

实验器材：整理箱，多功能支架，方木板，两个马蹄形磁铁，苹果手机。

实验步骤：将木板放入到整理箱里，磁铁异名磁极相对，放置在木板上，让二者距离适当。打开手机的录像慢动作功能，从静止开始释放整理箱。控制整理箱下降的高度防止撞击到支架底部。

实验现象：静止时两个磁铁保持一定的距离，如图3（1）所示；在物体下落过程中两个磁铁吸引到一起了，如图3（2）所示。

实验原理：开始因為摩擦力的存在，两块磁铁之间的吸引力小于等于静摩擦力，二者均保持静止。当磁铁下降时，处于失重状态，磁铁与木板之间的弹力减小，磁铁与木板之间的最大静摩擦力也减小，当磁力大于最大静摩擦力时磁铁就被吸引到一起了。

2.2 超重与失重时火焰形态变化探究

实验材料：整理箱，多功能支架，蜡烛，蜡台，打火机，方木板，苹果手机。

实验步骤：将蜡烛点燃，在木板上滴几滴蜡油用来固定蜡台，然后将蜡烛固定在蜡台上。点燃蜡烛，然后把整理箱密封，防止空气流动对实验结果造成影响。打开手机的录像慢动作功能，将整理箱从静止释放，此时看到手机记录了火焰的变化情况，然后控制整理箱停止。取出手机播放视频就可以看到整个过程火焰的变化情况。

实验现象：观察到静止时火焰作如图4（1）所示；在开始下降后火焰变成接近球状，如图4（2）所示；然后，在静止前瞬间火焰突然被拉长，如图4（3）所示。

实验原理：静止时蜡烛燃烧是石蜡蒸汽燃烧，在气体剧烈反应发生的地方发光发热十分明显。随着燃烧后热气体上升，周围冷的气体下降，空气发生对流，从而形成圆锥状的火焰。圆锥状火焰也与重力有关，热气体的密度比冷气体的轻，因此会向上升。与液体浮力类似，气体的浮力也是气体内部压力差造成的，在失重力情况下，蜡烛各个方向受到的气体压强对称，所以火焰接近球状。而在降落到地面瞬间，整体处于超重状态，火焰内部的石蜡蒸汽也变成超重上升，所以实验观察到火焰被拉长了。

2.3 在完全失重时单摆的运动变化探究

实验材料：整理箱，方木板，苹果手机，牛顿摆装置，床单，5个同学。

实验步骤：将牛顿摆的小球拆掉仅保留一个，使用双线摆固定摆球。将整理箱搬到二楼，如图5（1）所示。打开手机摄像，使小球开始做单摆运动，摆动不超过水平线，如图5（2）所示。当小球处于最低点附近释放整个实验装置，做自由落体运动。下方4个同学拉开床单接住实验装置，防止装置损坏。

实验现象：静止时小球做往复的单摆运动，当整体处于完全失重时，小球绕中心对称轴做圆周运动，如图5（3）所示。

实验原理：在静止时小球做单摆运动受到重力和绳子的弹力两个力作用，二者合力使小球做变速圆周运动。当整体处于完全失重时，重力作用在小球上产生竖直向下的加速度。此时，以整理箱为参考系，小球做的是匀速圆周运动（空气阻力忽略），绳子的弹力提供小球做圆周运动的向心力。

2.4 在完全失重时气球的浮力变化探究

实验材料：整理箱，多功能支架，方木板，直径是30 cm、高度35 cm的圆柱形透明玻璃缸，气球，橡皮筋，圆柱形砝码，手机。

实验步骤：将玻璃缸内装入适量的水，橡皮筋一端拴在砝码上，另一端拴在吹大的气球上，使气球浸在水里，橡皮筋因为气球向上的浮力而被拉长。将整个装置放到多功能支架上面，打开手机进行慢动作录像，从静止释放录制整个实验过程，然后停止录像观察实验现象。

实验现象：发现在静止时在气球浮力和砝码重力作用力下橡皮筋被拉长了。当处于完全失重时，橡皮筋收缩，“浮力和重力仿佛都消失了”，橡皮筋将气球和砝码都拉到了一起，如图6所示。

实验原理：在完全失重时，整体受到重力产生向下的重力加速度。浮力产生的原因是因为物体各个方向受到液体的压力差，完全失重时上层水对下层水没有压力，此时浮力消失了。在橡皮筋弹力作用下气球被拉到水下，下方的砝码被拉到上方。

2.5 在完全失重时水流的变化探究

实验材料：苹果手机，整理箱，多功能支架，方木板，纯棉手巾，矿泉水瓶。

实验步骤：打开手机的慢动作录像功能，点击开始录像。在矿泉水瓶子中间位置扎一个小洞装满水，当拧开上方盖子时水会流出来。在下面垫上纯棉手巾，流出的水会被手巾吸收。使整个装置从静止自由下落，手机会录制整个实验过程，实验结束停止录像，播放视频观看。

实验现象：实验发现在静止时水流会从小孔流出，如图7（1）所示；当处于完全失重时，水流会停止流出，如图7（2）所示。

实验原理：在静止时小孔上方的大气压强和水的高度差产生的压强之和比孔外大气压强要大，孔内部压力大于孔外部压力，所以水流从小孔向外流出。当处于完全失重时，上层水对下层水没有压力，孔内外的压强都等于大气压强，所以孔内外的压力相等，水不再从小孔流出。

3 实验创新点

（1）超重与失重现象可视化，利用手机的慢动作录像结合同步摄像拍摄。

（2）實验结果呈现实时化，利用网络技术+同屏幕显示技术，可以将实验同步在教室内的投影仪内实时显示。

（3）同一个平台多种实验，以点带面可以做多个实验将知识进行整合。

（4）使用个人必备的智能手机做实验，可以将生活与物理紧密联系，培养科学探究精神和实验设计能力。

编后记：本实验最重要的创新是让师生直接观察并记录，研究在一个加速（含减速）运动的参照系中的物理现象。通常物理实验是在地面实验室参照系中做的，牛顿与伽利略认为牛顿力学定律在惯性参照系中才严格成立。由于地球的自转和公转，地面实验室只是近似的惯性参考系。在加速参照系中运动的物体，除了受到通常的作用力（例如重力、压力、摩擦力）之外，物体还会受到“惯性力”。在自由下落的加速参考系中，物体受到的惯性力大小等于重力，方向与重力方向相反。惯性力与重力的合力为零，物体处于失重状态。建议读者认真学习赵凯华先生的著作[3]，可以更深入地掌握以上知识。

参考文献：

[1]丁振武，张洪明.改进激光器 整合初中光学实验[J].中学物理，34（12）：49-50.

[2]李柏涛，张洪明.利用生活物品演示静电实验[J].中学物理，2015，33（9）53-54.

[3]赵凯华，罗蔚英.新概念物理教程·力学[M].北京：高等教育出版社，1995（2002重印）.

（栏目编辑 王柏庐）