超重和失重现象的可视化自制演示教具

王 璐 徐晓梅

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

超重和失重是高中物理力与运动单元中的重点教学内容,是牛顿运动定律知识的迁移和应用.对高一学生来说,超重和失重现象比较抽象,理解起来不太容易,而且教室场地有限,教师很难帮助学生体验超重和失重.在实际教学中,教师为了解决这一难题,制作了许多演示教具.如,液体压强计演示装置、[1]磁力演示装置、[2]滑轮组演示装置等.[3]虽然这些教具能表现物体的超重失重状态,但不能直接展现拉力和压力的变化.为了直接展现拉力和压力的变化,结合教具制作的 “直观性”原则,[4]笔者设计了超重失重演示教具和完全失重演示教具.

1 超重失重演示教具

1.1 制作材料

高为1.6 m可拆卸的置物架一个、直径为7 cm动滑轮两个、直径为8.8 cm的V型定滑轮两个、量程为0-10 N的弹簧测力计一个、12 cm×6.5 cm×4 cm的硬纸盒一个、重物1个、电子秤一个、32 cm×20 cm×20 cm透明箱一个、5 cm×10 cm的木板一块、带有摄像功能的手机一个、细绳若干、塑料袋两个、沙子若干、泡沫减震垫一个.

1.2 器材组成

图1 超重失重演示仪装置图

图2 运动箱内部结构图

图3 超重失重演示仪实物图

轻绳的一端连接置物架上表面的弹簧测力计挂钩,穿过两个轻质动滑轮连接运动箱,再穿过两个定滑轮,另一端连接控制体.选用的滑轮摩擦较小,可减小摩擦对实验造成的影响.组装的实物图如图3所示.

1.3 实验操作及原理

运动箱分别由a、b位置释放,在控制体的配重与运动箱质量的不同关系下,运动箱和重物呈现4种不同运动状态——向下加速、减速和向上加速、减速.

用手控制运动箱静止于a位置.实验时,轻绳c松弛,右侧配重物的实际质量(m1)小于运动箱质量(m)的一半,运动箱及重物向下做加速运动;当轻绳c紧绷,此时右侧配重物的实际质量(m1+m2)大于运动箱质量(m)的一半,运动箱及重物向下做减速运动.

1.4 实验现象分析

根据运动箱和重物的竖直方向受力分析(如图4所示),弹簧测力计和秤分别可以显示运动箱及重物处于4种运动时拉力和压力的大小.

(a) 重物受力分析图

(b) 运动箱受力分析图

由轻绳对运动箱的拉力(2F)与运动箱的重力(G)间的关系,可知运动箱所受合力的大小和方向的变化,使运动箱和重物的运动状态及加速度方向发生变化,可以明显看到运动箱和重物处于超重失重状态时弹簧测力计和秤示数的变化.如表1、表2所示.

表1 运动箱由a处释放超重失重状态分析

表2 运动箱由b处释放超重失重状态分析

当运动箱向下做加速运动,运动箱和重物均处于失重状态时,弹簧测力计的示数,以及秤的示数和该示数在屏幕上的投影分别如图5(a)(b)(c)所示.

(a) 弹簧测力计的示数

(b) 秤的示数

(c) 秤投影在屏幕上的示数

1.5 教具优点

该教具取材简单、方便、易得,都是实验室或生活中常见的器材,成本较低;置物架拆卸方便,适合教师在不同场所做演示实验;学生能清楚地同时看到拉力和压力的变化情况,体验超重和失重;控制体通过配重巧妙地控制运动箱及重物运动使其处于超重失重状态,能够激发学生探索的兴趣,有助于培养学生探索的精神.

2 完全失重演示教具

2.1 材料及教具制作

两端开口的透明盒子、弹簧、书签、铁盒各一个.弹簧的一端与透明盒子相连,另一端与一支书签相连,弹簧伸长且书签被一铁盒压住.装置如图6所示.

图6 完全失重演示教具图

2.2 教具原理

书签被铁盒压住,书签在水平方向上受到弹簧的弹力(F)和铁盒与书签、书签与透明盒子间的摩擦力(f1、f2),书签处于静止.书签水平方向的受力分析如图7所示.

图7 书签水平方向受力分析侧视图

2.3 教具操作及现象

用手将透明盒子整体抬高,突然松手,透明盒子整体由高处自由下落.此时,透明箱、铁盒、书签都做自由落体运动,处于完全失重状态.铁盒与书签间、书签与透明盒子间的压力为0,则摩擦力为0,水平方向书签只受弹簧的拉力,书签逃离铁盒的“魔爪”.

2.4 教具优点

教具取材都是生活中常见的材料,却有意想不到的效果,令学生耳目一新;该教具原理简单,可重复性较强,实验现象明显.

3 小结

上述的2个实验教具,实验操作方便,演示效果明显.

但该实验只能通过受力分析才能推断完全失重这一状态,不能直接看到物体处于完全失重状态时所受拉力或压力变为0的情况,这方面还有待改进.