王 震 汪玉瑩

(遼寧師范大學物理與電子技術學院,遼寧 大連 116029)

·物理實驗·

自制模擬電梯演示儀,理解超重失重概念

王 震 汪玉瑩

(遼寧師范大學物理與電子技術學院,遼寧 大連 116029)

高中物理超重與失重概念的教學中,利用自制的模擬電梯演示儀,讓學生直觀形象地觀察超重與失重的現(xiàn)象,加深對抽象物理概念的理解．

模擬電梯演示儀;超重;失重

高中物理必修1“牛頓第二定律的應用——超重失重”的教學中,教師通常以電梯為例,播放電梯中的超重失重視頻,再結合例題進行理論分析,由此得出超重失重的概念及產生條件．而在實際的情境中,電梯上升和下降運行的過程中要涉及到多次的超重與失重,學生的思考過程變長,需要多次轉換思維來理解現(xiàn)象．為此,筆者自制了模擬電梯演示儀,課堂上“現(xiàn)場直播”超重與失重的過程,讓學生們親身感受超重與失重的產生條件、實質,加深對抽象物理概念的理解．

1 自制模擬電梯演示儀

(1) 所需器材.

鋁合金支架(高2 m)、矩形木板2塊(上下各1塊,規(guī)格分別為70 cm×30 cm,25 cm×25 cm)、定滑輪2個、自制彈簧顯示板(質量82 g)1塊、尼龍細繩若干、80 g重物1個、50 g鉤碼1個、100 g鉤碼2個、法蘭2個、海綿1塊．

(2) 實驗原理.

模擬電梯演示儀的制作是在簡化電梯結構的基礎上進行的,裝置左側自制彈簧顯示板與重物的總質量M,右側鉤碼分為兩組,分別為M1、M2,M1和M2之間用70 cm細繩連接．

首先用手提起M1、M2(圖1),使M2距地面80 cm,待整個系統(tǒng)保持靜止時釋放,讓細線自然運動,可以看到M1、M2一端向下運動,故可判斷M1、M2總質量大于自制彈簧和懸掛重物的總質量M,可以帶動其加速上升．根據(jù)牛頓第二定律進行受力分析,細線對M的拉力為T,M所受重力為G,取向上為正方向,那么對M受力分析:T-G=Ma1;T=(M1+M2)g．

接著如圖2,讓鉤碼M2接觸地面,用手沿繩向下拉動M1,使M1、M2之間的細線松弛,沒有力的作用,待M、M1以及它們之間的細線穩(wěn)定后釋放M1,可以觀察M1一端向上運動,故可判斷質量M1小于自制彈簧和懸掛重物的總質量M,可以帶動具有初速度的M減速上升．此時對M受力分析:T′-G=Ma2;T′=M1g．已知M=162 g,右側鉤碼M1=100 g、M2=150 g,計算得出理論值,即加速度a1=0.54 m/s2,向上加速運行時間t1=1.72 s;a2=-0.38 m/s2,向上減速運行時間t2=0.67 s．

圖1 超重過程原理圖

圖2 失重過程原理圖

理論求得的向上加速運行時間和向上減速運行時間都比較短．盡管時間短,但視神經對物體的印象不會立即消失,而要延續(xù)1/24 s左右的時間,人眼的這種性質被稱為“眼睛的視覺暫留”．就是說,人眼一般分辨畫面的時間不能少于42 ms,實驗理論計算得出物體運動的時間是670 ms,學生完全能夠對彈簧指針的變化情況做出觀察．

由此可見,通過模擬電梯演示儀,學生可以在M上升過程中,完成向上加速(超重)、向上減速(失重)兩種運動情況的觀察．

2 儀器制作

(1) 連接線的選擇.

實驗裝置(圖3)的主體部分由細線連接,選擇了光滑的尼龍細繩,繩與滑輪之間的摩擦較小,并且尼龍繩穩(wěn)定性較好、結實,多次反復進行實驗仍能承受住系統(tǒng)的重量．

圖3 模擬電梯演示儀實物圖

(2) 自制彈簧顯示板.

實驗室中學生常見的彈簧測力計分度值較小,示數(shù)變化不夠明顯,需要近距離仔細觀察才能看到指針的變化．筆者采用自制的彈簧顯示板來展示示數(shù)的變化,它由一塊亞克力板和一段勁度系數(shù)適中的彈簧組成,其分度值較大,示數(shù)清晰,指針用紅色的鐵片做成,從背景中凸顯出來,刺激學生的感官,學生能快速準確地觀察到指針的變化情況．

(3) 緩沖海綿.

真實電梯的結構里面,緩沖器起到沖頂和撞底的保護作用．模擬電梯演示儀中,整個裝置的底端鋪上柔軟的厚海綿起到緩沖保護作用,避免下方鉤碼落地時由于沖擊太大而對減速上升運動有所影響．

3 超重與失重演示過程

(1) 實驗具體操作.

圖4 靜止示數(shù)

首先讀出靜止時自制彈簧顯示板指針所對應的示數(shù)(指針刻度值等于重物M的重力)(圖4)．第一次實驗,釋放鉤碼M1、M2,觀察釋放瞬間指針的變化,可以看到示數(shù)明顯變大(圖5)．第二次實驗,釋放鉤碼M1、M2,觀察M1落地后瞬間指針的變化,可以看到示數(shù)明顯變小(圖6)．結合牛頓第二定律,牛頓第三定律可知,第1次實驗時,示數(shù)大于重物M的重力,為超重；第2次實驗時,示數(shù)小于重物M重力,為失重．

圖5 超重示數(shù)

圖6 失重示數(shù)

(2) 分析實驗現(xiàn)象得出結論.

理論分析的基礎上,結合對實驗過程的反復觀察,學生通過對比彈簧顯示板的示數(shù)和重物M重力之間的大小關系,歸納總結出超重和失重的物理概念．即物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)大于物體所受重力的現(xiàn)象,為超重現(xiàn)象;物體對支持物的壓力(或對懸掛物的拉力)小于物體所受重力的現(xiàn)象,為失重現(xiàn)象．

4 演示儀的主要優(yōu)點

(1) 模擬電梯演示儀結構簡單,示數(shù)變化明顯.

儀器結構框架簡單,一目了然．裝置容易拆裝,攜帶方便．儀器高度適中,既能滿足整個裝置運動所需要的距離,也使彈簧顯示板始終在觀察者合理的視線范圍內運動,有利于觀察．兩個滑輪之間的間距合理,在觀察運動情況的過程中,既能觀察到M1、M2的運動狀態(tài),又能捕捉到彈簧顯示板示數(shù)瞬時的變化,不會造成左右兩邊視覺混淆．指針采用了紅色,色彩醒目,刺激學生的視覺,能夠引起注意．

(2) 一次實驗中演示超重與失重兩種現(xiàn)象.

模擬電梯演示儀可在一次實驗中實現(xiàn)向上加速和向上減速兩個運動過程,重物M先超重后失重,超重與失重的現(xiàn)象直觀地呈現(xiàn)在學生眼前,學生進行對比觀察,觀察勾碼的運動過程,觀察彈簧顯示板指針的變化,加深了學生對抽象的物理概念的理解．

(3) 有助于提高學生的觀察力.

實驗中指針的運動時間很短暫,需要學生集中注意力,觀察指針刻度瞬間的變化．這個環(huán)節(jié)訓練了學生觀察力的指向性和敏銳性,提高了他們的觀察能力．同時學生們也對他們能夠捕捉到的霎那間的變化而興奮不已,充分地調動了學習的積極性．

自制模擬電梯演示儀在“牛頓第二定律的應用——超重失重”教學中的使用,實驗現(xiàn)象明顯,演示效果直觀,帶給學生的是驚喜,更為重要的是訓練了學生的觀察能力,加深了學生對物理概念的理解．

1 朱敏亮,肖化.基于滑輪組的超重失重演示儀[J].中學物理教學參考,2015(15):29-30.

2 劉國江.農村高中低成本物理實驗的案例研究[D].遼寧師范大學, 2015.

3 弭寶國,王碩軍.對超重、失重演示實驗的改進[J].大學物理,2006, 25(5):32-33.

2017-03-29)