利用DIS改进超重与失重实验

裴 超

(山东省邹城市孟子湖中学，山东 邹城 273500)

1 传统实验分析

人教版《教师教学用书》在“超重和失重”中提出：“在一个台秤上放置一个木箱，箱内顶部悬挂一根弹簧，弹簧下系一重物。让重物上下震动，引导学生观察台秤示数的变化情况。”但实验中发现台秤示数变化并不明显，且指针晃动过快不利于观察。教材在本节的思考与讨论中提出：“人站在力传感器上完成下蹲动作。观察计算机采集的图线”，虽然实验效果显著，但此种类型力传感器价格昂贵，许多学校不具备此条件。笔者在教学实践中发现，利用DIS可以改进超重与失重的实验。

2 基于DIS的实验改进方案

2.1 方案一

2.1.1 实验装置

如图1所示，电子秤由托盘A、力传感器B、底座C组成；如图2所示，超重、失重现象演示仪由电子秤、塑料瓶D、弹簧E以及钩码F组成。

图1

图2

2.1.2 实验过程

(1) 将力传感器改装成电子秤，受压力作用时显示为负值，受拉力作用时显示为正值；

(2) 按图2进行仪器组装，将传感器与电脑相连；

(3) 下拉钩码后，由静止释放得到图3所示的力与时间关系图像；

图3

(4) 利用牛顿运动定律，结合图像分析得出超重、失重现象的定义。

2.1.3 实验分析

分析图3中物体的运动可知：0～1s钩码静止，物体实重为0.4N；1～1.7s下拉钩码时传感器所受压力变大，由静止释放钩码，随着钩码的上下振动，力出现了忽大忽小的情况；1.7～1.8s钩码由静止加速上升，电子秤所受压力大于物体实重；1.8～1.9s钩码减速上升，电子秤所受压力小于物体实重；1.9～2s钩码由静止加速下降，电子秤所受压力小于物体实重；2～2.1s钩码减速下降，电子秤所受压力大于物体实重。

结合牛顿第二定律及失重与重力关系，可以得到超重与失重现象的定义，利用运动过程中对加速度方向的判断，可以得到加速度与超重、失重现象的关系。

2.2 方案二

2.2.1 实验装置

如图4所示，该实验装置由力传感器A、弹簧B、钩码C以及铁架台组成。

图4

2.2.2 实验过程

(1) 将力传感器固定在铁架台上；

(2) 按图4进行仪器组装，将传感器与电脑相连；

(3) 下拉钩码后，由静止释放得到图5的力与时间关系图像；

图5

(4) 利用牛顿运动定律，结合图像分析得出超重、失重现象的定义。

2.2.3 实验分析

经受力分析可知：传感器所受拉力与钩码所受拉力大小相同，可用传感器间接测出钩码所受力的变化。分析图5以及物体的运动：0～2.5s钩码静止，物体实重约为0.99N；2.5～4s下拉钩码时，传感器所受压力变大，由静止释放钩码，随着钩码的上下振动，力出现忽大忽小的情况；5.4～5.9s钩码由静止加速上升，加速度方向向上，钩码所受拉力大于物体实重，出现超重现象；5.9～6.4s钩码减速上升，加速度方向向下，钩码所受拉力小于物体实重，出现失重现象；6.4～6.9s钩码由静止加速下降，钩码所受拉力小于物体实重；6.9～7.5s钩码减速下降，加速度方向向上，钩码所受拉力大于物体实重，出现超重现象。

2.3 方案三

2.3.1 实验装置

如图6所示，该实验装置由力传感器A、棉线B、手机C、定滑轮D以及铁架台组成。

图6

2.3.2 实验过程

(1) 在手机中打开“手机物理工坊”软件，让手机做自由落体运动后用手接住，得到图7所示的加速度与时间关系图像；

图7

(2) 利用棉线通过上方两个定滑轮将力传感器与左侧铁环相连；

(3) 按图6进行仪器组装，将传感器与电脑相连；

(4) 下拉铁环使手机向上运动至静止，随后让手机向下运动至静止，分别得到图8所示手机运动的加速度与时间图像，图9为手机所受力与时间图像；

图8

图9

(5) 结合图像分析得出超重、失重现象与加速度的关系，验证方案一与方案二的结果。

2.3.3 实验分析

通过步骤(1)，手机做向下的加速与向下的减速运动，加速度的方向先向下后向上，通过对图7的分析可知，该软件规定加速度向上为正值，向下为负值。从图像中可以发现图8与图9吻合度较高，实验结果准确性高。通过对图8的分析，手机在运动中分别出现了超重、失重、失重及超重现象，通过对图9的分析，手机在相同时间段内加速度的方向分别为向上、向下、向下及向上。在对相同时间内手机所出现的超重、失重现象及加速度方向进行分析，可以得出加速度与超重、失重的关系。

3 结语

分析教材中实验的不足，在探究实验中利用DIS直观呈现力的变化，结合物体运动并利用牛顿运动定律进行分析，得到超重与失重的定义以及超重、失重与加速度的关系。在验证实验中，利用手机软件与DIS完成对加速度与超重、失重关系的验证，此过程也可以结合牛顿运动定律进行理论分析，增强可信度。无论是探究性实验还是验证性实验，在实验过程中，都充分突出了DIS的实时性、可视性、开放性强的特点。