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        失重演示實驗的改進

        2016-06-14 23:08:55李艷茹張皓晶張瑛張雄
        物理教學探討 2016年5期

        李艷茹 張皓晶 張瑛 張雄

        摘 要:提供一個自制的失重現(xiàn)象演示裝置,延長了物體產生失重現(xiàn)象的時間, 自制的演示裝置簡單、直觀、可靠并且成本低廉。應用在高中物理教學中,較好地解決了失重問題的引入,教學實踐表明在貧困農村中學物理教學中效果較好。

        關鍵詞:超重和失重;自由下落;浮力的作用;水和瓶子

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2016)5-0057-2

        1 引 言

        失重現(xiàn)象是人教版高中物理必修一第四章第七節(jié)的內容,課本中介紹了人站在體重計上,下蹲、起立體重計的示數(shù)會發(fā)生變化,用這一現(xiàn)象,來幫助學生進一步理解超重和失重[1],但由于體重計示數(shù)變化的時間極短,失重現(xiàn)象對于學生來說仍然過于抽象。劉治宏、田勝安在《失重超重演示儀的制作》一文中也提到教科書上的這一方法存在一定的局限,譬如不利于在課堂上演示,難以讓學生身臨其境[2]。P.W.Kwok在教學研究中提出了一個新的關于失重現(xiàn)象的演示實驗[3],在演示實驗中,作者把物體產生失重現(xiàn)象的時間延長,讓學生可以清楚地看到物體的失重現(xiàn)象。

        2 實驗裝置和步驟

        (1)找一個常見的筆帽,把筆帽開的一端用防水膠密封起來,且往筆帽上插入三枚回形針,筆帽通過加了防水膠和回形針(以下統(tǒng)稱筆帽)之后,可以直立地浮在水面上或者是緩慢地在水里下落(筆帽在裝有水的瓶子中下落時受力分析如圖1所示);(2)當筆帽從裝有水的瓶子的頂部釋放的時候,筆帽將緩慢地從瓶子頂部開始往底部下落。當筆帽下降到瓶子高度一半的時候,釋放瓶子,讓其自由下落[3];(3)觀察此時的實驗現(xiàn)象。在筆帽隨瓶子自由下落的過程中,筆帽似乎凍結在了瓶子的中部,停止向瓶子底部運動。

        3 實驗原理分析

        人教版高中物理(必修1)中對失重現(xiàn)象是這樣定義的:物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受的重力的情況稱為失重現(xiàn)象[4]。在本實驗中,當筆帽隨瓶子自由下落時,筆帽和瓶子相對地面加速下降,筆帽處于失重狀態(tài),又因為小球失重前受到自身的重力以及水的浮力的作用,失重后筆帽只受水的浮力作用,且失重前筆帽相對于地面的速度不為0。因此,當筆帽隨瓶子自由下落的過程中,由于時間極短,筆帽靜止在瓶子中部,相對于瓶子靜止,不再向瓶子底部移動。

        (1)在這個演示實驗中如果筆帽在下落過程中不受到水的浮力的作用,筆帽將在極短的時間內落到瓶底,學生將不能在本實驗中清楚地看到失重現(xiàn)象。因此,本實驗延長了筆帽產生失重現(xiàn)象的時間。

        (2)由于本實驗在步驟中往筆帽里加防水膠和回形針,可以方便地調節(jié)好筆帽的重量并且控制它在水中下落的速度。

        (3)當做完一次實驗,筆帽沉在了水底,這時需要把瓶子里的水倒空,取出筆帽,再次把水倒入瓶中,進行第二次實驗。為了避免麻煩,我們在實驗過程中往筆帽上插入了三枚回形針,然后用磁鐵把插有回形針和防水膠的筆帽從瓶子的底部吸引上來,提高了實驗的可操作性。

        4 實驗可以改進的地方

        由于在做本實驗時需要把裝有水和筆帽的瓶子從3 m高的地方釋放,且下落時間為0.6~0.7 s,這個時間足夠學生捕捉下來,清楚地看到筆帽的失重現(xiàn)象。但仍然有可以改進的地方,例如:(1)筆帽可以直接改成直徑2 cm的深色塑料球,避免塞防水膠和回形針的時間,從而提高了實驗效率;(2)可以把實驗中的水換成透明的洗潔劑,增大物體在下落過程中受到的阻力,再次延長下落物體產生失重現(xiàn)象的時間;(3)用記號筆在瓶子上畫好刻度(如圖2所示)或粘一條直角坐標紙在瓶子上做位置的標定,明確瓶子中部的具體位置,這樣不僅可以讓失重現(xiàn)象更加直觀,而且增加了實驗的科學性,培養(yǎng)學生嚴謹?shù)乃季S習慣;(4)把重復幾次實驗的過程改為錄視頻的過程,把錄好的視頻復制在教室多媒體設備上,這樣可以在任意時間暫停、回放,保證每一位學生都看到明顯的失重現(xiàn)象。

        5 小 結

        本實驗所需器材均簡單易得,實驗現(xiàn)象明顯,通過改進之后,不僅節(jié)約了時間,而且提高了課堂教學效率,把失重現(xiàn)象更加清晰地展現(xiàn)給每一位學生,激發(fā)了學生學習的熱情。另外,實驗中增加了用移動設備錄視頻的實驗步驟,調動了學生學習的積極性,達到了事半功倍的效果,真正體現(xiàn)了“從生活走向物理,從物理走向社會”的新課程理念。

        參考文獻:

        [1]物理課程教材研發(fā)中心.物理1必修[M].北京:人民教育出版社,2010.

        [2]劉治宏,田勝安.超重失重演示儀的制作[J].物理教學探討,2013,31(4):54,56.

        [3]PING WAI KWORK.A simple demonstration to visualize weightlessness July 2010 Phys.Educ.45 19.

        [4]張大昌.普通高中課程標準實驗教科書 物理(必修1)[M].北京:人民教育出版社,2011.

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