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        在地面上做太空失重實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新方法

        2018-10-29 11:15:58鄧穎
        物理教學(xué)探討 2018年7期
        關(guān)鍵詞:超重智能手機(jī)

        鄧穎

        摘 要:本文主要介紹了利用智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像技術(shù)來觀察物體超重、失重狀態(tài)的一些特殊物理現(xiàn)象。利用平時(shí)用的整理箱和智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像相結(jié)合,制作一個(gè)定滑輪支架,打造一個(gè)可以研究超重、失重現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),可以進(jìn)行超重、失重現(xiàn)象研究。

        關(guān)鍵詞:智能手機(jī);慢動(dòng)作攝像;失重;超重;同屏顯示

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2018)7-046-3

        在人教版必修一第四章第七節(jié)《超重與失重》部分的常規(guī)教學(xué)中,只能通過各種“巧妙”的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生“間接”感知超重和失重現(xiàn)象,學(xué)生不能直接觀察到超重、失重現(xiàn)象,增加了學(xué)生對(duì)物理概念的理解難度。特別是學(xué)生最感興趣的完全失重現(xiàn)象,一般只能播放一些太空里的視頻??紤]到新課程提出的“體驗(yàn)探究,倡導(dǎo)創(chuàng)新”要求,筆者設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),做到超重與失重現(xiàn)象可視化,將轉(zhuǎn)“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過程進(jìn)行“慢放定格”,把太空艙里的完全失重實(shí)驗(yàn)搬到地面上完成。

        1 實(shí)驗(yàn)器材制作以及技術(shù)支持

        整理箱改造:將日常生活中常用的衣服整理箱內(nèi)部用膠水粘貼輕質(zhì)塑料條,用來固定手機(jī)。在下方側(cè)壁粘貼塑料泡沫板,起到支撐手機(jī)的作用。在底部放置大小合適的方木板,以防箱子被壓壞,如圖1所示。

        滑輪支架設(shè)計(jì):用長(zhǎng)為2 m的方形空心管作為支撐,下方用鐵皮固定,上方安裝兩組4個(gè)定滑輪,在上方固定電磁鐵裝置用來研究物體自由下落時(shí)使用(如圖2所示)。

        同屏幕顯示技術(shù):蘋果手機(jī)的智能同屏幕顯示技術(shù),基于無線網(wǎng)絡(luò)的支持。用手按住蘋果手機(jī)屏幕從下向上拉,有“屏幕鏡像”就是這個(gè)功能。需要在電腦上安裝iTools工具,將二者匹配后,此時(shí)手機(jī)屏幕上顯示的內(nèi)容就可以同步顯示到電腦屏幕上。

        2 應(yīng)用智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像功能和自制儀器開展系列實(shí)驗(yàn)探究

        2.1 在失重時(shí)磁鐵受力狀態(tài)變化探究

        實(shí)驗(yàn)器材:整理箱,多功能支架,方木板,兩個(gè)馬蹄形磁鐵,蘋果手機(jī)。

        實(shí)驗(yàn)步驟:將木板放入到整理箱里,磁鐵異名磁極相對(duì),放置在木板上,讓二者距離適當(dāng)。打開手機(jī)的錄像慢動(dòng)作功能,從靜止開始釋放整理箱??刂普硐湎陆档母叨确乐棺矒舻街Ъ艿撞?。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:靜止時(shí)兩個(gè)磁鐵保持一定的距離,如圖3(1)所示;在物體下落過程中兩個(gè)磁鐵吸引到一起了,如圖3(2)所示。

        實(shí)驗(yàn)原理:開始因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖?,兩塊磁鐵之間的吸引力小于等于靜摩擦力,二者均保持靜止。當(dāng)磁鐵下降時(shí),處于失重狀態(tài),磁鐵與木板之間的彈力減小,磁鐵與木板之間的最大靜摩擦力也減小,當(dāng)磁力大于最大靜摩擦力時(shí)磁鐵就被吸引到一起了。

        2.2 超重與失重時(shí)火焰形態(tài)變化探究

        實(shí)驗(yàn)材料:整理箱,多功能支架,蠟燭,蠟臺(tái),打火機(jī),方木板,蘋果手機(jī)。

        實(shí)驗(yàn)步驟:將蠟燭點(diǎn)燃,在木板上滴幾滴蠟油用來固定蠟臺(tái),然后將蠟燭固定在蠟臺(tái)上。點(diǎn)燃蠟燭,然后把整理箱密封,防止空氣流動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。打開手機(jī)的錄像慢動(dòng)作功能,將整理箱從靜止釋放,此時(shí)看到手機(jī)記錄了火焰的變化情況,然后控制整理箱停止。取出手機(jī)播放視頻就可以看到整個(gè)過程火焰的變化情況。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:觀察到靜止時(shí)火焰作如圖4(1)所示;在開始下降后火焰變成接近球狀,如圖4(2)所示;然后,在靜止前瞬間火焰突然被拉長(zhǎng),如圖4(3)所示。

        實(shí)驗(yàn)原理:靜止時(shí)蠟燭燃燒是石蠟蒸汽燃燒,在氣體劇烈反應(yīng)發(fā)生的地方發(fā)光發(fā)熱十分明顯。隨著燃燒后熱氣體上升,周圍冷的氣體下降,空氣發(fā)生對(duì)流,從而形成圓錐狀的火焰。圓錐狀火焰也與重力有關(guān),熱氣體的密度比冷氣體的輕,因此會(huì)向上升。與液體浮力類似,氣體的浮力也是氣體內(nèi)部壓力差造成的,在失重力情況下,蠟燭各個(gè)方向受到的氣體壓強(qiáng)對(duì)稱,所以火焰接近球狀。而在降落到地面瞬間,整體處于超重狀態(tài),火焰內(nèi)部的石蠟蒸汽也變成超重上升,所以實(shí)驗(yàn)觀察到火焰被拉長(zhǎng)了。

        2.3 在完全失重時(shí)單擺的運(yùn)動(dòng)變化探究

        實(shí)驗(yàn)材料:整理箱,方木板,蘋果手機(jī),牛頓擺裝置,床單,5個(gè)同學(xué)。

        實(shí)驗(yàn)步驟:將牛頓擺的小球拆掉僅保留一個(gè),使用雙線擺固定擺球。將整理箱搬到二樓,如圖5(1)所示。打開手機(jī)攝像,使小球開始做單擺運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)不超過水平線,如圖5(2)所示。當(dāng)小球處于最低點(diǎn)附近釋放整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置,做自由落體運(yùn)動(dòng)。下方4個(gè)同學(xué)拉開床單接住實(shí)驗(yàn)裝置,防止裝置損壞。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:靜止時(shí)小球做往復(fù)的單擺運(yùn)動(dòng),當(dāng)整體處于完全失重時(shí),小球繞中心對(duì)稱軸做圓周運(yùn)動(dòng),如圖5(3)所示。

        實(shí)驗(yàn)原理:在靜止時(shí)小球做單擺運(yùn)動(dòng)受到重力和繩子的彈力兩個(gè)力作用,二者合力使小球做變速圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)整體處于完全失重時(shí),重力作用在小球上產(chǎn)生豎直向下的加速度。此時(shí),以整理箱為參考系,小球做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)(空氣阻力忽略),繩子的彈力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

        2.4 在完全失重時(shí)氣球的浮力變化探究

        實(shí)驗(yàn)材料:整理箱,多功能支架,方木板,直徑是30 cm、高度35 cm的圓柱形透明玻璃缸,氣球,橡皮筋,圓柱形砝碼,手機(jī)。

        實(shí)驗(yàn)步驟:將玻璃缸內(nèi)裝入適量的水,橡皮筋一端拴在砝碼上,另一端拴在吹大的氣球上,使氣球浸在水里,橡皮筋因?yàn)闅馇蛳蛏系母×Χ焕L(zhǎng)。將整個(gè)裝置放到多功能支架上面,打開手機(jī)進(jìn)行慢動(dòng)作錄像,從靜止釋放錄制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,然后停止錄像觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:發(fā)現(xiàn)在靜止時(shí)在氣球浮力和砝碼重力作用力下橡皮筋被拉長(zhǎng)了。當(dāng)處于完全失重時(shí),橡皮筋收縮,“浮力和重力仿佛都消失了”,橡皮筋將氣球和砝碼都拉到了一起,如圖6所示。

        實(shí)驗(yàn)原理:在完全失重時(shí),整體受到重力產(chǎn)生向下的重力加速度。浮力產(chǎn)生的原因是因?yàn)槲矬w各個(gè)方向受到液體的壓力差,完全失重時(shí)上層水對(duì)下層水沒有壓力,此時(shí)浮力消失了。在橡皮筋彈力作用下氣球被拉到水下,下方的砝碼被拉到上方。

        2.5 在完全失重時(shí)水流的變化探究

        實(shí)驗(yàn)材料:蘋果手機(jī),整理箱,多功能支架,方木板,純棉手巾,礦泉水瓶。

        實(shí)驗(yàn)步驟:打開手機(jī)的慢動(dòng)作錄像功能,點(diǎn)擊開始錄像。在礦泉水瓶子中間位置扎一個(gè)小洞裝滿水,當(dāng)擰開上方蓋子時(shí)水會(huì)流出來。在下面墊上純棉手巾,流出的水會(huì)被手巾吸收。使整個(gè)裝置從靜止自由下落,手機(jī)會(huì)錄制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)束停止錄像,播放視頻觀看。

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在靜止時(shí)水流會(huì)從小孔流出,如圖7(1)所示;當(dāng)處于完全失重時(shí),水流會(huì)停止流出,如圖7(2)所示。

        實(shí)驗(yàn)原理:在靜止時(shí)小孔上方的大氣壓強(qiáng)和水的高度差產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和比孔外大氣壓強(qiáng)要大,孔內(nèi)部壓力大于孔外部壓力,所以水流從小孔向外流出。當(dāng)處于完全失重時(shí),上層水對(duì)下層水沒有壓力,孔內(nèi)外的壓強(qiáng)都等于大氣壓強(qiáng),所以孔內(nèi)外的壓力相等,水不再從小孔流出。

        3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

        (1)超重與失重現(xiàn)象可視化,利用手機(jī)的慢動(dòng)作錄像結(jié)合同步攝像拍攝。

        (2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化,利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)+同屏幕顯示技術(shù),可以將實(shí)驗(yàn)同步在教室內(nèi)的投影儀內(nèi)實(shí)時(shí)顯示。

        (3)同一個(gè)平臺(tái)多種實(shí)驗(yàn),以點(diǎn)帶面可以做多個(gè)實(shí)驗(yàn)將知識(shí)進(jìn)行整合。

        (4)使用個(gè)人必備的智能手機(jī)做實(shí)驗(yàn),可以將生活與物理緊密聯(lián)系,培養(yǎng)科學(xué)探究精神和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

        編后記:本實(shí)驗(yàn)最重要的創(chuàng)新是讓師生直接觀察并記錄,研究在一個(gè)加速(含減速)運(yùn)動(dòng)的參照系中的物理現(xiàn)象。通常物理實(shí)驗(yàn)是在地面實(shí)驗(yàn)室參照系中做的,牛頓與伽利略認(rèn)為牛頓力學(xué)定律在慣性參照系中才嚴(yán)格成立。由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),地面實(shí)驗(yàn)室只是近似的慣性參考系。在加速參照系中運(yùn)動(dòng)的物體,除了受到通常的作用力(例如重力、壓力、摩擦力)之外,物體還會(huì)受到“慣性力”。在自由下落的加速參考系中,物體受到的慣性力大小等于重力,方向與重力方向相反。慣性力與重力的合力為零,物體處于失重狀態(tài)。建議讀者認(rèn)真學(xué)習(xí)趙凱華先生的著作[3],可以更深入地掌握以上知識(shí)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]丁振武,張洪明.改進(jìn)激光器 整合初中光學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理,34(12):49-50.

        [2]李柏濤,張洪明.利用生活物品演示靜電實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理,2015,33(9)53-54.

        [3]趙凱華,羅蔚英.新概念物理教程·力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1995(2002重?。?

        (欄目編輯 王柏廬)

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