賈闖 彭朝陽

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

高中物理超重失重演示實驗的設(shè)計思路大體有兩種：一是直接讀取物體視重的大小(下稱“直接讀數(shù)”)，二是間接將物體視重轉(zhuǎn)換為某種物理現(xiàn)象(下稱“現(xiàn)象轉(zhuǎn)換”)[1].

直接讀數(shù)具有指向概念、操作簡單和可重復(fù)性強等特點，較為適合基礎(chǔ)薄弱、邏輯能力偏差的學(xué)生.然而，超重和失重是物體運動過程的狀態(tài)，“由于測力計隨物體一起快速移動，學(xué)生觀察時視線很難跟上，就是演示者觀察也比較困難[2].而現(xiàn)象轉(zhuǎn)換的設(shè)計補足了這一缺陷，常見的有“液體壓強計演示裝置”“重物組演示裝置”“磁力演示裝置”等.現(xiàn)象轉(zhuǎn)換的實驗設(shè)計使得學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再只停留于“物理概念”本身，還體現(xiàn)了“科學(xué)思維”和“實驗探究”[3]等物理學(xué)科核心素養(yǎng).

由于學(xué)生在初中已經(jīng)接觸到了液體壓強計，且初步學(xué)習(xí)了其工作原理，加之液體壓強計演示實驗的現(xiàn)象較為明顯.因此，本文將以液體壓強計作為實驗設(shè)計基礎(chǔ)，主要從“裝置設(shè)計”和“實驗演示”兩個階段，對傳統(tǒng)的“液體壓強計演示裝置”進(jìn)行改進(jìn).

1 設(shè)計背景

常見的“液體壓強計演示裝置”如圖1所示，主要由一個支架、滑輪組以及液體壓強計組成.該演示裝置主要通過手動改變滑輪組右側(cè)鉤碼的數(shù)量實現(xiàn)重力差，進(jìn)而演示物體的超重和失重狀態(tài).然而這一演示過程僅能實現(xiàn)“向上加速”和“向下加速”兩種運動情況，“向上減速”和“向下減速”則無法直接呈現(xiàn).這樣一來，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程很容易產(chǎn)生困惑，甚至于會形成“向上運動物體超重”“向下運動物體失重”等錯誤的認(rèn)知.

圖1 常見液體壓強計超重失重演示裝置

2 實驗改進(jìn)

2.1 制作材料

高度為1.2 m的支架,微小壓強計1個,氣球1個,輕質(zhì)定滑輪2個,30 cm×30 cm減震軟墊1塊,塑料袋2個,鐵球1個,小鋼珠、橡皮泥和輕繩若干.

2.2 實驗組裝

超重失重演示實驗改進(jìn)裝置如圖2所示，將支架立于水平桌面上，支架頂部對稱安裝兩個定滑輪，用細(xì)線穿過定滑輪，細(xì)線兩端分別懸掛“配重鋼珠袋”和超重失重“演示裝置”.演示裝置與裝有適量有色溶液的“微小壓強計”接通.

“演示裝置c”是由一個罩有氣球膜的托盤和一個粘有橡皮泥的鐵球組成，橡皮泥用于配重調(diào)平微小壓強計液面，同時可防止鐵球滾動影響實驗效果(詳見圖2).演示裝置與微小壓強計接通，對橡皮管上部做固定處理以防止彎折后氣流不暢，影響實驗效果.整個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).

圖2 超重失重液體壓強演示裝置圖

“配重鋼珠袋”懸掛于定滑輪右端細(xì)線上，由a,b兩個鋼珠袋組成，鋼珠袋a懸掛于輕繩上半部，鋼珠袋b懸掛于輕繩末端.兩個鋼珠袋內(nèi)分別裝有若干鋼珠，其質(zhì)量關(guān)系滿足

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實驗器材組裝后的實物圖如圖3所示.

圖3 超重失重液體壓強演示裝置實物圖

2.3 實驗操作

該實驗通過“微小壓強計”左右液面的高度變化來演示超重和失重現(xiàn)象.實驗開始前，“演示裝置”懸空，在演示裝置內(nèi)小鐵球重力的作用下，已連接好的微小壓強計液面會出現(xiàn)高度差.此時，拔下橡皮管排出內(nèi)部壓縮氣體，適當(dāng)捏癟橡皮管后再連接液體壓強計，可適度增減鐵球上的橡皮泥進(jìn)行微調(diào)，使左右液面處于同一高度(即調(diào)平).右側(cè)兩個“配重鋼珠袋”完全懸空，輕繩處于繃緊狀態(tài)，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量為右側(cè)兩個鋼珠袋質(zhì)量的代數(shù)和.

此時“配重鋼珠袋”有效質(zhì)量略大于“演示裝置”質(zhì)量，釋放右側(cè)鋼珠袋，“演示裝置”向上做加速運動.當(dāng)右側(cè)輕繩下所懸掛的鋼珠袋b接觸桌面的減震軟墊并停止運動時，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量減小為鋼珠袋a的質(zhì)量，有效質(zhì)量小于“演示裝置”質(zhì)量，在一定時間內(nèi)，“演示裝置”向上做減速運動.

當(dāng)“演示裝置”向上做減速運動且速度為零時，用手控制住鋼珠袋，使整個裝置停止運動，此時“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量小于“演示裝置”質(zhì)量，釋放鋼珠袋后“演示裝置”向下做加速運動.當(dāng)演示裝置下降至右側(cè)懸掛鋼珠袋b的輕繩處于緊繃狀態(tài)后，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量增加為兩個鋼珠袋質(zhì)量的總和，且大于左側(cè)裝置的質(zhì)量，此后一定時間內(nèi)“演示裝置”向下做減速運動.

需注意：這里所提到的“配重鋼珠袋的有效質(zhì)量”即穿過定滑輪，通過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 實驗分析

以“演示裝置”中的小鐵球為研究對象，它受到兩個力：自身重力G和氣球膜對小鐵球的支持力.實驗過程中共有4種運動情況，如圖4所示分別為：向上加速、向上減速、向下加速、向下減速.

圖4 演示裝置內(nèi)小鐵球的4種運動情況

在實際操作中，當(dāng)演示裝置發(fā)生如上4種運動時，微小壓強計液面高度一般會處于變化的過程，分別取變化過程中液面位置的一個暫態(tài)作為參考，詳見圖5所示.

圖5 液體壓強計的液面高度暫態(tài)

列出演示裝置在這4種運動中，其加速度方向、小鐵球的重力G和氣球膜對小鐵球的支持力N的關(guān)系、液體壓強計“液面高度情況”、演示裝置狀態(tài)分析的對比關(guān)系如表1所示.

表1 演示裝置超重失重狀態(tài)分析

4 設(shè)計評價

物理演示實驗要以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)為目的[4].考慮到學(xué)生容易將超重失重狀態(tài)和物體的運動方向相混淆的癥結(jié)，通過配重鋼珠袋的設(shè)計，有條理地演示了物體的4個運動過程.實驗材料簡單易得，可重復(fù)性較強，學(xué)生亦可在課余時間進(jìn)行興趣實驗，重在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的實驗素養(yǎng).不足的是，在演示“向下減速”和“向上減速”時，如左右兩側(cè)質(zhì)量相差較大，減速過程的持續(xù)時間可能較為短暫，微小壓強計的液面變化不明顯，不利于實驗觀察.在實驗操作過程中，學(xué)生可通過對定滑輪兩側(cè)的質(zhì)量配重作適宜的調(diào)試來解決此問題.