賈 闖，彭朝陽(yáng)

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

超重、失重磁力演示裝置的改進(jìn)

賈 闖，彭朝陽(yáng)

(云南師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

通過(guò)設(shè)計(jì)配重鋼珠袋改進(jìn)了超重、失重磁力演示裝置，在向上和向下2個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)拉力的自動(dòng)化改變，利用異名磁極的相互作用，演示了物體的超重和失重現(xiàn)象.

超重；失重；磁力

超重、失重不是重力的增加或減少，而是物體對(duì)支持物的壓力或懸掛物的拉力發(fā)生了變化，物體的重力依然存在且大小不變[1]. 在實(shí)際教學(xué)中，教師也設(shè)計(jì)和制作了大量的演示教具來(lái)幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解這部分內(nèi)容. 常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有“直接測(cè)量裝置”、“液體壓強(qiáng)計(jì)演示裝置”[2]、“重物組演示裝置”[3]、“磁力演示裝置”[4]等. “磁力演示裝置”相比于其他幾種設(shè)計(jì)則較有新意，但仍存在可以改進(jìn)之處.

1 設(shè)計(jì)背景

圖1 常見(jiàn)磁力超失重演示器

常見(jiàn)的自制磁力“超失重演示器”如圖1所示，主要由2個(gè)環(huán)形磁鐵及可以封閉為矩形的材料(穿過(guò)環(huán)形磁鐵)組成. 在演示超失重現(xiàn)象時(shí)，主要通過(guò)手動(dòng)操作，以演示物體“向上運(yùn)動(dòng)”和“向下運(yùn)動(dòng)”時(shí)環(huán)形磁鐵相對(duì)位置的變化來(lái)反映物體的超重和失重狀態(tài). 而物體本身的運(yùn)動(dòng)情況并沒(méi)有直觀呈現(xiàn)，無(wú)法清晰地揭示“向上加速”、“向上減速”、“向下加速”、“向下減速”這4種情況下物體本身的超重和失重狀態(tài). 學(xué)生很容易產(chǎn)生困惑，甚至于會(huì)行成“向上運(yùn)動(dòng)物體超重”、“向下運(yùn)動(dòng)物體失重”等錯(cuò)誤的認(rèn)知.

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 制作材料

高為1.2 m的支架，20 cm長(zhǎng)細(xì)木棒1根，內(nèi)外直徑分別為23.6 mm和16.8 mm、厚度為6.35 mm的小磁環(huán)2個(gè)，礦泉水瓶蓋2個(gè)，輕質(zhì)定滑輪2個(gè)，30 cm×30 cm減振軟墊1塊，塑料袋2個(gè)，鋼珠和輕繩若干.

2.2 實(shí)驗(yàn)組裝

超重失重演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖2所示，將支架立于水平桌面上，支架頂部對(duì)稱安裝2個(gè)定滑輪，用細(xì)線穿過(guò)定滑輪，細(xì)線兩端分別懸掛超失重演示裝置和配重鋼珠袋.

圖2 超重、失重演示裝置圖

在1根20 cm長(zhǎng)的細(xì)木棒上穿有2個(gè)保持一定間距的小磁環(huán)，由此構(gòu)成“演示裝置c”. 為防止磁鐵碰撞損壞，在小磁環(huán)上分別罩2個(gè)鉆孔的礦泉水瓶蓋. 2個(gè)小磁環(huán)異名磁極相對(duì)，且F略小于摩擦力(無(wú)外力時(shí)相對(duì)靜止). 整個(gè)裝置水平懸掛于定滑輪左端細(xì)線尾部，并懸空于桌子外側(cè).

配重鋼珠袋懸掛于定滑輪右端細(xì)線尾部，由2個(gè)鋼珠袋a和b 組成：上部分為輕繩與鋼珠袋a相連接，下方與一段較長(zhǎng)的輕繩連接，輕繩末端再依次連接鋼珠袋b. 2個(gè)鋼珠袋內(nèi)分別裝有若干鋼珠，其質(zhì)量關(guān)系滿足：ma

實(shí)驗(yàn)器材組裝后的實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 超重、失重磁力演示裝置實(shí)物圖

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)演示裝置2個(gè)小磁環(huán)的相對(duì)位置演示超重和失重現(xiàn)象. 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，演示裝置懸空，2個(gè)小磁環(huán)異名磁極相對(duì)，調(diào)整適當(dāng)間距使得小磁環(huán)保持靜止. 右側(cè)2個(gè)配重鋼珠袋完全懸空，棉線處于繃緊狀態(tài)，配重鋼珠袋的有效質(zhì)量為右側(cè)2個(gè)鋼珠袋質(zhì)量的代數(shù)和.

此時(shí)配重鋼珠袋有效質(zhì)量略大于演示裝置c的質(zhì)量，釋放右側(cè)鋼珠袋，演示裝置c向上作加速運(yùn)動(dòng). 當(dāng)右側(cè)棉線下所懸掛的鋼珠袋b接觸桌面的減振軟墊并停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，配重鋼珠袋的有效質(zhì)量減小為棉線以上鋼珠袋a的質(zhì)量，有效質(zhì)量小于演示裝置c質(zhì)量，在一定時(shí)間內(nèi)，演示裝置c向上作減速運(yùn)動(dòng).

當(dāng)演示裝置向上作減速運(yùn)動(dòng)且速度為零時(shí)，用手控制住鋼珠袋，使整個(gè)裝置停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)配重鋼珠袋的有效質(zhì)量小于演示裝置質(zhì)量. 重新調(diào)整適當(dāng)間距使得小磁環(huán)保持靜止，釋放鋼珠袋，演示裝置向下作加速運(yùn)動(dòng). 當(dāng)該裝置下降至右側(cè)懸掛鋼珠袋b的棉線處于緊繃狀態(tài)后，配重鋼珠袋的有效質(zhì)量增加為2個(gè)鋼珠袋質(zhì)量的總和，且大于左側(cè)裝置的質(zhì)量，此后一定時(shí)間內(nèi)演示裝置向下作減速運(yùn)動(dòng).

需注意：這里所提到的配重鋼珠袋的有效質(zhì)量即穿過(guò)定滑輪，通過(guò)輕繩傳遞后真正作用于左側(cè)演示裝置的鋼珠袋的質(zhì)量.

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中超失重演示裝置共有4種運(yùn)動(dòng)情況(如圖4所示),分別為：向上加速、向上減速、向下加速、向下減速.

(a)向上加速 (b)各上減速 (c)向下加速 (d)向下減速圖4 演示裝置的4種運(yùn)動(dòng)情況

如圖5所示，以左側(cè)小磁環(huán)為研究對(duì)象，對(duì)其在水平和豎直2個(gè)方向上受力分析.

列出演示裝置在這4種運(yùn)動(dòng)后，其加速度方向、輕繩的拉力F與演示裝置重力G、磁環(huán)與木筷間的最大靜摩擦力fmax與2個(gè)小磁環(huán)間吸引力F吸、磁環(huán)相對(duì)位置、演示裝置狀態(tài)分析的對(duì)比關(guān)系如表1所示.

圖5 左側(cè)小磁環(huán)在水平和豎直方向上的受力分析

運(yùn)動(dòng)情況a方向F與Gfmax與F吸磁環(huán)相對(duì)位置狀態(tài)分析向上加速向上F>Gfmax>F吸原位置超重向上減速向下FGfmax>F吸原位置超重

4 結(jié)束語(yǔ)

利用磁力的原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不同于傳統(tǒng)的超重失重演示裝置，實(shí)驗(yàn)材料簡(jiǎn)單、易得，成本低廉且組裝方便. 配重鉤碼的設(shè)計(jì)較為新穎，可以自動(dòng)化改變演示裝置的受力，進(jìn)而從物體本身的運(yùn)動(dòng)情況出發(fā)，有條理地呈現(xiàn)物體的超重和失重狀態(tài)，避免學(xué)生將超重失重狀態(tài)和物體的運(yùn)動(dòng)方向相混淆，培養(yǎng)了學(xué)生物理學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng). 演示裝置可以較為直觀地呈現(xiàn)失重現(xiàn)象，但演示超重現(xiàn)象時(shí)，小磁環(huán)保持靜止，只能通過(guò)受力分析來(lái)進(jìn)行解釋，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，有待完善和改進(jìn).

[1] 王維. 超重與失重演示裝置的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2017,37(3):60-61.

[2] 孫永華. 對(duì)超重和失重演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2005,25(4):34.

[3] 董剛. 基于“重物組”的超重失重演示實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)[J]. 物理通報(bào),2017,36(3):99-101.

[4] 王秀蘭. 自制超失重演示器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 理科考試研究，2016,23(5):50.

Improvingmagneticforcedemonstrationdeviceforoverweightandweightlessness

JIA Chuang， PENG Zhao-yang

(School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China)

A counterweight steel balls were used in the magnetic-force demonstration device for overweight and weightlessness. In the up and down movement， tension could change automatically. By using the interaction between the opposite magnetic poles, the phenomena of overweight and weightlessness were demonstrated.

overweight; weightlessness; magnetic force

G633.7

B

1005-4642(2017)11-0059-03

2017-07-08

賈 闖(1993-)，男，陜西西安人，云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院2016級(jí)碩士研究生，研究方向物理課程與教學(xué).

彭朝陽(yáng)(1971-)，男，江西安福人，云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院教授，博士，研究方向物理課程教學(xué)和天體物理.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]