王 璐 徐曉梅

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

超重和失重是高中物理力與運(yùn)動(dòng)單元中的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容,是牛頓運(yùn)動(dòng)定律知識(shí)的遷移和應(yīng)用.對(duì)高一學(xué)生來說,超重和失重現(xiàn)象比較抽象,理解起來不太容易,而且教室場(chǎng)地有限,教師很難幫助學(xué)生體驗(yàn)超重和失重.在實(shí)際教學(xué)中,教師為了解決這一難題,制作了許多演示教具.如,液體壓強(qiáng)計(jì)演示裝置、[1]磁力演示裝置、[2]滑輪組演示裝置等.[3]雖然這些教具能表現(xiàn)物體的超重失重狀態(tài),但不能直接展現(xiàn)拉力和壓力的變化.為了直接展現(xiàn)拉力和壓力的變化,結(jié)合教具制作的 “直觀性”原則,[4]筆者設(shè)計(jì)了超重失重演示教具和完全失重演示教具.

1 超重失重演示教具

1.1 制作材料

高為1.6 m可拆卸的置物架一個(gè)、直徑為7 cm動(dòng)滑輪兩個(gè)、直徑為8.8 cm的V型定滑輪兩個(gè)、量程為0-10 N的彈簧測(cè)力計(jì)一個(gè)、12 cm×6.5 cm×4 cm的硬紙盒一個(gè)、重物1個(gè)、電子秤一個(gè)、32 cm×20 cm×20 cm透明箱一個(gè)、5 cm×10 cm的木板一塊、帶有攝像功能的手機(jī)一個(gè)、細(xì)繩若干、塑料袋兩個(gè)、沙子若干、泡沫減震墊一個(gè).

1.2 器材組成

圖1 超重失重演示儀裝置圖

圖2 運(yùn)動(dòng)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 超重失重演示儀實(shí)物圖

輕繩的一端連接置物架上表面的彈簧測(cè)力計(jì)掛鉤,穿過兩個(gè)輕質(zhì)動(dòng)滑輪連接運(yùn)動(dòng)箱,再穿過兩個(gè)定滑輪,另一端連接控制體.選用的滑輪摩擦較小,可減小摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響.組裝的實(shí)物圖如圖3所示.

1.3 實(shí)驗(yàn)操作及原理

運(yùn)動(dòng)箱分別由a、b位置釋放,在控制體的配重與運(yùn)動(dòng)箱質(zhì)量的不同關(guān)系下,運(yùn)動(dòng)箱和重物呈現(xiàn)4種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——向下加速、減速和向上加速、減速.

用手控制運(yùn)動(dòng)箱靜止于a位置.實(shí)驗(yàn)時(shí),輕繩c松弛,右側(cè)配重物的實(shí)際質(zhì)量(m1)小于運(yùn)動(dòng)箱質(zhì)量(m)的一半,運(yùn)動(dòng)箱及重物向下做加速運(yùn)動(dòng);當(dāng)輕繩c緊繃,此時(shí)右側(cè)配重物的實(shí)際質(zhì)量(m1+m2)大于運(yùn)動(dòng)箱質(zhì)量(m)的一半,運(yùn)動(dòng)箱及重物向下做減速運(yùn)動(dòng).

1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)箱和重物的豎直方向受力分析(如圖4所示),彈簧測(cè)力計(jì)和秤分別可以顯示運(yùn)動(dòng)箱及重物處于4種運(yùn)動(dòng)時(shí)拉力和壓力的大小.

(a) 重物受力分析圖

(b) 運(yùn)動(dòng)箱受力分析圖

由輕繩對(duì)運(yùn)動(dòng)箱的拉力(2F)與運(yùn)動(dòng)箱的重力(G)間的關(guān)系,可知運(yùn)動(dòng)箱所受合力的大小和方向的變化,使運(yùn)動(dòng)箱和重物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及加速度方向發(fā)生變化,可以明顯看到運(yùn)動(dòng)箱和重物處于超重失重狀態(tài)時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)和秤示數(shù)的變化.如表1、表2所示.

表1 運(yùn)動(dòng)箱由a處釋放超重失重狀態(tài)分析

表2 運(yùn)動(dòng)箱由b處釋放超重失重狀態(tài)分析

當(dāng)運(yùn)動(dòng)箱向下做加速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)箱和重物均處于失重狀態(tài)時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),以及秤的示數(shù)和該示數(shù)在屏幕上的投影分別如圖5(a)(b)(c)所示.

(a) 彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)

(b) 秤的示數(shù)

(c) 秤投影在屏幕上的示數(shù)

1.5 教具優(yōu)點(diǎn)

該教具取材簡(jiǎn)單、方便、易得,都是實(shí)驗(yàn)室或生活中常見的器材,成本較低;置物架拆卸方便,適合教師在不同場(chǎng)所做演示實(shí)驗(yàn);學(xué)生能清楚地同時(shí)看到拉力和壓力的變化情況,體驗(yàn)超重和失重;控制體通過配重巧妙地控制運(yùn)動(dòng)箱及重物運(yùn)動(dòng)使其處于超重失重狀態(tài),能夠激發(fā)學(xué)生探索的興趣,有助于培養(yǎng)學(xué)生探索的精神.

2 完全失重演示教具

2.1 材料及教具制作

兩端開口的透明盒子、彈簧、書簽、鐵盒各一個(gè).彈簧的一端與透明盒子相連,另一端與一支書簽相連,彈簧伸長(zhǎng)且書簽被一鐵盒壓住.裝置如圖6所示.

圖6 完全失重演示教具圖

2.2 教具原理

書簽被鐵盒壓住,書簽在水平方向上受到彈簧的彈力(F)和鐵盒與書簽、書簽與透明盒子間的摩擦力(f1、f2),書簽處于靜止.書簽水平方向的受力分析如圖7所示.

圖7 書簽水平方向受力分析側(cè)視圖

2.3 教具操作及現(xiàn)象

用手將透明盒子整體抬高,突然松手,透明盒子整體由高處自由下落.此時(shí),透明箱、鐵盒、書簽都做自由落體運(yùn)動(dòng),處于完全失重狀態(tài).鐵盒與書簽間、書簽與透明盒子間的壓力為0,則摩擦力為0,水平方向書簽只受彈簧的拉力,書簽逃離鐵盒的“魔爪”.

2.4 教具優(yōu)點(diǎn)

教具取材都是生活中常見的材料,卻有意想不到的效果,令學(xué)生耳目一新;該教具原理簡(jiǎn)單,可重復(fù)性較強(qiáng),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯.

3 小結(jié)

上述的2個(gè)實(shí)驗(yàn)教具,實(shí)驗(yàn)操作方便,演示效果明顯.

但該實(shí)驗(yàn)只能通過受力分析才能推斷完全失重這一狀態(tài),不能直接看到物體處于完全失重狀態(tài)時(shí)所受拉力或壓力變?yōu)?的情況,這方面還有待改進(jìn).