鄒愉 魏婉榮 羅立

摘要：中學階段對失重環(huán)境下力學問題的教學往往限于利用牛頓定律進行受力分析，抽象且枯燥[1]，學生很難理解和體會。本文提出的基于自由落體運動和智能手機的失重實驗平臺設計方案，可將常見的力學模型在失重狀態(tài)下的運動狀態(tài)，通過手機無線投影直觀地展示出來，并可進行實時共享和精確分析。這種以實驗探究為基礎并結合現(xiàn)代技術的物理實驗平臺設計理念，可以供同行借鑒和參考。

關鍵詞：失重，自由落體，平臺設計

一、引言

超重與失重是高中力學教中對牛頓運動定律的具體應用，也是宇宙開發(fā)中面臨的重要內(nèi)容。教材[2]在課后“發(fā)展空間”引導學生通過受力分析描述完全失重狀態(tài)下的天平測質(zhì)量、物體是否受浮力，水銀氣壓計測氣壓等情景。這些情境如果沒有實驗演示會十分抽象[3]，對學生理解分析能力有較高要求，加大了學習難度。2013年6月20日中國航天員在天宮1號中面向中小學生開展太空授課，首次讓學生觀察到了在完全失重環(huán)境下物體運動的特點，極大的激發(fā)了學生的學習興趣，如圖1所示的單擺模型。但是，以航天器作為失重實驗平臺，對日常教學演示來講顯然是不現(xiàn)實的。針對這個問題，我們設計了一個成本低廉，使用方便且可實時演示的失重實驗平臺，可實時直觀向?qū)W生演示失重、超重條件下，常見力學模型的運動情況。

二、設計原理和思路

把系有彈性繩的物體在某一高度靜止釋放，到下落至最低點，物體的運動情況分析如下。若將該物體替換成一個封閉的空間，例如一個箱子。則該箱子即為失重平臺。我們可以將單擺、天平等力學模型放置在箱子里，在箱壁上固連一智能手機，結合Airplay功能，把視頻顯示在大屏幕電視上或網(wǎng)絡共享[4-5]，就可實時觀察分析這些力學模型在完全失重、失重、超重下的運動狀態(tài)。

三、結構設計

該實驗平臺主要由支架、實驗箱、控制系統(tǒng)和物理模型盒四部分構成。

支架包含底座和帶有刻度可伸縮的豎直支架，可調(diào)節(jié)平臺的高度;在豎直支架頂端的水平支架中間有一掛鉤，四角設有電磁鐵。

實驗箱頂部中間拴有彈性繩，彈性繩另一頭可懸掛于水平支架的掛鉤上;頂部四角設有與電磁鐵位置對應的鐵片。實驗箱側壁設有攝像頭和用于放置手機的手機卡槽;卡槽兩側均設有活動卡片和壓縮彈簧以組成夾持結構，能防止實驗過程中手機滑出。實驗箱底部設有四個卡槽，用于固定物理模型盒。

控制系統(tǒng)位于支架底座內(nèi)，包含視頻處理系統(tǒng)和電磁鐵控制系統(tǒng)。

物理模型盒是由透明材料制成的六面半封閉小盒，有單擺、天平、沙漏、浮塊四種物理模型，還可以根據(jù)教學需要設計其他物理模型。

四、使用說明

1、選擇一種物理模型盒固定在實驗箱的底板上;

2、調(diào)節(jié)豎直支架到合適的高度，將牽引繩細繩端拴在掛鉤上，彈簧端與實驗箱3固定;

3、通過電磁鐵，將實驗箱吸附于水平支架上;打開視頻使攝像頭，或放置手機準備錄制視屏;

4、斷開電磁鐵開關，實驗箱自由下落;

5、可多次實驗，對實驗視屏回看慢放分析。

五、 以失重狀態(tài)下的單擺模型為例的實驗教學設計[6]

六、拓展及小結

基于同樣的原理和實驗方式，為使實驗效果明顯，本實驗平臺還可以應用于高度更高的平臺，在實驗盒中安裝一個具備高速攝像功能的手機，攝像機開關可以通過重力感應器控制，箱子上端系一橡皮筋組成的系統(tǒng)，柔繩另一端固定在天花板或者樓頂上。把實驗器材放入實驗箱內(nèi)，松開實驗箱，手機內(nèi)置重力感應器（定時器）打開攝像機開始錄像，用于觀察實驗器材在完全失重下的運動狀態(tài)