孫建清

[摘 要] 用自由落體的礦泉水瓶演示完全失重，用“水流星”演示向心力，都存在一些不足。文章介紹的創(chuàng)新裝置能同時(shí)演示上述兩種現(xiàn)象，并且操作方便、效果明顯、說(shuō)服力強(qiáng)。

[關(guān)鍵詞] 完全失重 向心力

[中圖分類(lèi)號(hào)] G633.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674 6058（2016）11 0078

演示“完全失重”實(shí)驗(yàn)，大部分教師采用這樣的裝置：礦泉水瓶下端開(kāi)個(gè)小孔，灌滿(mǎn)水，水流從小孔噴出；讓瓶子自由下落，水流消失。說(shuō)明自由下落時(shí)，水對(duì)瓶壁無(wú)壓力，水處于完全失重狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）現(xiàn)象不明顯。水流細(xì)小且無(wú)色，學(xué)生（特別是后排的學(xué)生）看不清；（2）操作不方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)瓶口必須開(kāi)著，接瓶時(shí)從小孔和瓶口灑出的水易弄濕地面和實(shí)驗(yàn)者；（3）學(xué)生有質(zhì)疑，有的學(xué)生認(rèn)為，下落時(shí)水仍會(huì)從小孔流出，只不過(guò)流速（相對(duì)于瓶子）變小，才看不到水流“噴出”，故這個(gè)現(xiàn)象不能說(shuō)明水對(duì)瓶壁無(wú)壓力。另外，在向心力教學(xué)中，看了“水流星”演示實(shí)驗(yàn)之后，學(xué)生仍然存有疑問(wèn)。他們用慣性來(lái)解釋最高點(diǎn)時(shí)碗里的水沒(méi)流下來(lái)的原因是：水和盆子一起通過(guò)最高點(diǎn)的時(shí)間很短，由于慣性，水來(lái)不及流下來(lái)就“蕩”過(guò)去了，因此，該實(shí)驗(yàn)不能說(shuō)明最高點(diǎn)時(shí)水對(duì)盆子有壓力。為了解決上述問(wèn)題，筆者精心設(shè)計(jì)制作了一個(gè)裝置，既能演示完全失重，也能進(jìn)行向心力的定性演示，操作方便，效果明顯，說(shuō)服力強(qiáng)。現(xiàn)介紹如下。

一、實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示：將裝滿(mǎn)沙子的鐵盒放在釘有兩枚鐵釘?shù)哪緣K上，靜止時(shí)鐵盒對(duì)木塊有壓力，鐵盒與兩鐵釘?shù)尼斆苯佑|良好，電路導(dǎo)通，小電珠發(fā)光；自由下落時(shí)，整個(gè)裝置完全失重，鐵盒與木塊間無(wú)壓力，電路不導(dǎo)通，小電珠熄滅。因此，小電珠的發(fā)光與否間接地反映了鐵盒與木塊間有沒(méi)有壓力，進(jìn)而判斷鐵盒是否處于完全失重狀態(tài)。

二、儀器制作

1.材料準(zhǔn)備

直徑7cm鐵盒一個(gè)（可用“喉爽”盒子，用砂紙磨去下表面油漆，盒子內(nèi)裝細(xì)沙），直徑8.5cm、高3cm的圓柱形木塊一個(gè)，長(zhǎng)4cm的鐵釘兩枚，5號(hào)電池兩只，電池盒一只，小電珠一只，細(xì)導(dǎo)線(xiàn)若干，螺絲三只，直徑9cm的透明塑料瓶一個(gè)（可用大可樂(lè)瓶，去掉瓶子上半部非圓柱形部分），細(xì)線(xiàn)若干。

2.制作過(guò)程

（1）在木塊中點(diǎn)兩側(cè)，距中點(diǎn)約2cm處，對(duì)稱(chēng)地釘兩枚4cm長(zhǎng)鐵釘，要求釘穿木塊，釘帽略高于木塊上表面；

（2）鐵釘下端焊接兩根細(xì)導(dǎo)線(xiàn)，按圖1連接好電路，電池固定在該木塊下表面，小電珠懸在空中；

（3）將此木塊放進(jìn)瓶子下半部，從側(cè)面等間距地給木塊擰上三個(gè)螺絲，把木塊和瓶子緊固在一起；

（4）用加熱的細(xì)鐵絲在可樂(lè)瓶上端等間距地穿三個(gè)小孔，小孔邊緣要光滑；

（5）用三根等長(zhǎng)的細(xì)繩（約30cm）分別穿過(guò)三個(gè)小孔并打結(jié)，再把三根繩的上端結(jié)在一起，結(jié)點(diǎn)上再連一根長(zhǎng)約1m的細(xì)繩；

（6）將鐵盒放入瓶子即可開(kāi)始演示，實(shí)物裝置如圖2所示。

三、儀器使用

1.演示完全失重：把鐵盒放入瓶?jī)?nèi)，靜止時(shí)，小電珠亮，說(shuō)明鐵盒對(duì)木塊有壓力；一手抓住繩子，另一手將瓶子舉高再釋放，可以看到，自由下落過(guò)程中，小電珠不發(fā)光；一手抓住繩子，另一手將瓶子分別上拋、下拋、斜拋，可以看到，瓶子拋出后到繩子繃緊前這段時(shí)間內(nèi)，小電珠均不發(fā)光。

2.演示豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力：抓住繩子上端，讓瓶子以較快的速度在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，可以看到，整個(gè)過(guò)程中，小電珠始終發(fā)光。這說(shuō)明鐵盒對(duì)木塊始終有壓力，最高點(diǎn)也不例外。在最高點(diǎn)，鐵盒有向外飛的趨勢(shì)，緊緊地?cái)D壓木塊，所以電路仍然導(dǎo)通！

本裝置中，若給小電珠再并聯(lián)一個(gè)小喇叭（賀卡上的音樂(lè)片），則電路導(dǎo)通時(shí)，既可看到燈光，又可聽(tīng)到聲音，效果更加明顯。該儀器取材方便，制作簡(jiǎn)單，效果明顯，說(shuō)服力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程干凈衛(wèi)生！實(shí)驗(yàn)完畢，取出鐵盒即可。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

郭衛(wèi)東.低成本物理實(shí)驗(yàn)的巧妙設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].物理教學(xué)探討，2012（7）：1.

（責(zé)任編輯 易志毅）