用弹簧测力计探究超重与失重

袁梓童

一、实验目的

探究弹簧测力计的示数究竟测量的是什么力，观察不同场景下弹簧测力计示数的变化，研究弹簧测力计示数大小与运动状态的关系，以及超重与失重的概念。

二、实验材料

弹簧测力计（1N），小卷胶布，凳子，中性笔。

三、实验过程

1.将弹簧测力计调零（之后每个与测量有关的步骤首先都要调零），并将中性笔挂在挂钩上，待稳定后观察示数。此弹簧测力计量程为0～1N，分度值为0.02N。如图2所示，此中性笔受重力约0.1N。

2.接下来，观察走路、骑车、电梯升降等情景下，弹簧测力计示数的变化。以上每个场景中的被测量物都是上一步骤中重力为0.1N的中性笔。

（1）走路时

a.过程与现象

将中性笔挂在弹簧测力计上，绕房间走几个来回，观察弹簧测力计的示数变化，用相机记录。回放视频时可以发现，走动时指针在0.1N的位置上下摆动，幅度最大可达0.14N。转身时，指针摆动幅度较大。

b.猜想

人走动时，从静止状态到运动状态，被挂在弹簧测力计上的中性笔在惯性的作用下前后、左右摆动，给弹簧测力计来自不同方向、不同大小的力。在这些力的影响下，弹簧测力计出现不规则的上下摇摆。

人行走时，中性笔并不是匀速直线运动。人的双脚交替前进，前脚迈出，后脚跟着地，为了配合身体协调，后脚有略微踮脚的动作，由此交替。在此过程中，弹簧测力计的指针便出现一高一低的情况，类似波浪线。

（2）骑车时

a.过程与现象

将弹簧测力计用胶布粘在自行车上（尽量使弹簧测力计垂直于地面），调零完毕后，推动车子来回作匀速运动，运动轨迹尽量保持在一条直线上。在运动过程中，观察弹簧测力计的示数变化。向左运动时，中性笔与弹簧测力计整体向右偏，指针摇摆;向右运动时，中性笔与弹簧测力计向左偏，指针同样摇摆。当车子停止运动时，相比之前“走路”时的指针变化幅度小很多，几乎都在0.1N。

b.猜想

在骑车场景下，彈簧测力计的运动状态是变速直线运动—匀速直线运动—变速直线运动。而在走路场景中，身体出现上下起伏、左右轻微晃动，很难保持匀速运动，因而弹簧测力计的指针摆动幅度大且不规则。而骑车时的匀速直线运动使指针摆动幅度很小。

（3）乘电梯时

a.过程与现象

将中性笔挂在弹簧测力计上，乘坐电梯上升和下降，观察弹簧测力计的示数变化，用相机记录。

在下降过程中，电梯启动后，指针渐渐上升至0.08N，待电梯作匀速直线运动时，指针基本稳定在0.1N的位置。电梯逐渐停止时，指针向上移动，变为0.12N，停稳后，指针回到0.1N。

在上升过程中，电梯启动后，指针渐渐下降至0.12N处。电梯作匀速直线运动时，指针基本稳定在0.1N的位置。电梯逐渐停止时，指针向上移动至0.08N，停稳后，指针回到0.1N。

b.猜想

电梯下降时，逐渐向下加速运动，给了电梯一个向下的加速度，弹簧测力计的拉力小于中性笔的重力，此时电梯里的中性笔处于失重状态，指针向上移至0.08N。电梯速度逐渐稳定、作匀速直线运动时，弹簧测力计的拉力与中性笔所受重力平衡，此时弹簧测力计示数回到0.1N。当电梯快要停止时，速度减缓，给电梯一个向上的加速度。此时弹簧测力计的拉力大于中性笔的重力，所以处于超重状态，指针下移至0.12N。待电梯稳定后，指针回到0.1N处。

电梯上升时，刚开始是向上的加速运动，弹簧测力计的拉力大于中性笔的重力，处于超重状态，指针向下移动至0.12N。当电梯作匀速直线运动时，弹簧测力计的拉力与中性笔的重力平衡，故指针回到0.1N处。电梯快要停下时速度变缓，此时有一个向下的加速度，弹簧测力计的拉力小于中性笔的重力，处于失重状态，所以指针向上移动至0.08N。停稳后处于静止状态，指针回到0.1N处。

四、实验结论

当弹簧测力计使用规范，器材稳定，处于静止或匀速直线运动时，弹簧测力计的示数才是所挂物体的重力。当处于加、减速，转弯、振动状态时，弹簧测力计的示数所表现出的物体的受力情况是超重或失重。超重时，弹簧测力计的示数大于原示数;失重时，弹簧测力计的示数小于原示数。（指导老师：张艺凡）