自制超重失重教學(xué)演示器

摘要：超重失重是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用，亦是理解航空航天知識(shí)的理論基礎(chǔ)。教學(xué)中相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材匱乏，故結(jié)合電梯模型制作“超重失重教學(xué)演示器”，立意于把直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（定性判斷）與數(shù)字化圖像（定量分析）結(jié)合起來，由現(xiàn)象認(rèn)知遞進(jìn)到圖像理解，由圖像分析反過來驗(yàn)證現(xiàn)象，完成探究過程。

關(guān)鍵詞：超重失重；教具；數(shù)字化；制作

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148（2013）11（S）-0054-2

1背景

高中物理教學(xué)中，超失重部分缺乏理想的實(shí)驗(yàn)或器材。教學(xué)中要求從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去認(rèn)識(shí)超失重。常用實(shí)驗(yàn)有：彈簧秤懸掛鉤碼做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)示數(shù)變化；在臺(tái)秤上下蹲或起立時(shí)示數(shù)變化：塑料瓶底鉆孔使水流出，豎直上拋或自由落體時(shí)水不流出：紙帶懸掛重物突然變速。紙帶斷開；市面上常見超重失重演示器：利用定滑輪在圓盤測力計(jì)兩端懸掛重物，使測力計(jì)升降獲得超失重狀態(tài)觀察示數(shù)。

這些實(shí)驗(yàn)存在不足：第一。只有定性觀察。缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，感性認(rèn)知遞進(jìn)到理性認(rèn)知存在困難；第二，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不方便觀察。如彈簧秤本身需移動(dòng)，示數(shù)變化不易觀察：第三，定量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，教材中超失重定義由牛頓第二定律導(dǎo)出。實(shí)驗(yàn)中不能獲得加速度與受力變化同步數(shù)據(jù)，故無法反過來驗(yàn)證理論推導(dǎo)。鑒于此，筆者自制了超重失重演示器，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了定性觀察與定量分析相結(jié)合，既有直觀易見的物理現(xiàn)象，又有準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來幫助學(xué)生受力分析物理過程。

2原理

通過物體超失重現(xiàn)象控制不同指示燈工作，同時(shí)通過DISlab數(shù)字化系統(tǒng)同步采集受力與加速度數(shù)據(jù)。利用四根拉伸彈簧懸掛內(nèi)置超失重感應(yīng)模塊、電梯運(yùn)行模擬模塊的箱體。在彈簧原長處釋放箱體，使箱體做上下往復(fù)的阻尼運(yùn)動(dòng)。在平衡位置上方，加速度向下，箱體內(nèi)處于失重狀態(tài)，在平衡位置下方，加速度向上，箱體內(nèi)處于超重狀態(tài)。

超失重感應(yīng)模塊是在內(nèi)部安裝紅綠兩色發(fā)光二極管工作回路的透明塑料盒。兩回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的兩銅片上，簧片置于兩銅片之間。在釋放箱體做阻尼運(yùn)動(dòng)的過程中，因?yàn)槌е噩F(xiàn)象。懸掛物對簧片拉力改變、簧片有規(guī)律地上下振動(dòng)，接觸上下兩端的銅片連通回路，使得紅綠兩燈交替發(fā)光來標(biāo)志超重與失重。因模塊本身在運(yùn)動(dòng)無法觀察，故在運(yùn)行箱體內(nèi)安裝攝像頭，鏡頭正對簧片位置，將簧片超失重現(xiàn)象呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上。電梯運(yùn)行模擬模塊原理是模擬電梯運(yùn)行場景，將玩具小人在箱體運(yùn)動(dòng)過程中對箱體的壓力和加速度變化情況利用傳感器采集，同步輸出數(shù)據(jù)并繪制圖像，與簧片上下振動(dòng)的現(xiàn)象對應(yīng)。幫助學(xué)生清晰認(rèn)知壓力與加速度大小方向的關(guān)系。這樣就實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到數(shù)據(jù)圖像的遞進(jìn)式認(rèn)知。數(shù)據(jù)圖像亦可反過來驗(yàn)證理論推導(dǎo)。

3制作

（1）材料

超失重感應(yīng)模塊和電梯運(yùn)行模擬模塊需要發(fā)光二極管、紐扣電池、發(fā)音集成電路、導(dǎo)線、揚(yáng)聲器、雙面貼、自制簧片（由銅片制作）、圓盤、玩具小人、力傳感器和加速度傳感器。運(yùn)行箱體和支架需要拉伸彈簧、小號(hào)塑料整理箱、攝像頭、釣魚線、金屬片、PVC塑料管（直徑32mm）、PVC管連接頭、L型角鐵和大號(hào)塑料整理箱。另加工過程中緊固部分需要螺絲及螺帽。

（2）工具

電烙鐵，電鉆，鋼鋸，銼刀，螺絲刀，鋼絲鉗，尖嘴鉗，砂紙，游標(biāo)卡尺。

（3）制作過程

將發(fā)光二極管、紐扣電池、發(fā)音集成電路和揚(yáng)聲器串聯(lián)成兩相同電路。兩回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的兩銅片上。將電路元件通過雙面貼粘在透明塑料盒的內(nèi)壁上。將兩銅片和簧片一端九十度彎折，在彎折部分鉆孔穿螺絲，在塑料盒兩邊側(cè)壁上各挖一條卡槽，通過螺絲和螺帽將銅片及簧片固定在側(cè)壁上，使得銅片與簧片位置可任意上下調(diào)節(jié)。在小號(hào)塑料整理箱內(nèi)壁上安裝卡扣。把前面制作的超失重感應(yīng)模塊懸掛在其內(nèi)壁上，即為運(yùn)行箱體。在運(yùn)行箱體底部及攝像頭底座上鉆孔。用螺絲將攝像頭固定并正對超失重感應(yīng)模塊。這樣就將實(shí)驗(yàn)中簧片的超失重現(xiàn)象顯示在了屏幕上。

剪出四塊三角形金屬片，大小與彈簧直徑相仿。將其插入彈簧中再彎曲尖端向上形成小盤卡住彈簧，用長螺絲穿過小盤再打孔固定在大號(hào)塑料整理箱上蓋即可懸掛彈簧。此處采用兩顆螺帽設(shè)計(jì)，便于上下調(diào)節(jié)高度，控制懸掛的運(yùn)行箱體平衡。下端懸掛運(yùn)行箱體部分使彈簧螺旋穿幾圈過鉆好的略小于彈簧直徑的圓孔，另在圓孔旁邊鉆三個(gè)小孔拴釣魚線固定彈簧。

在力傳感器上通過螺絲固定一放置玩具小人的圓盤。將力傳感器豎直固定于運(yùn)行箱體內(nèi)。將加速度傳感器固定于運(yùn)行箱體側(cè)壁。這里條件允許可采用無線傳感器，避免因線材拉扯造成的誤差。在懸掛彈簧的長螺絲底部纏繞釣魚線，且在運(yùn)行箱體上鉆孔使釣魚線貫穿運(yùn)行箱體。另一端通過螺絲固定在底座上（自上蓋到底座長約2米），解決了箱體運(yùn)行時(shí)側(cè)偏不穩(wěn)定的問題。且摩擦較小。對實(shí)驗(yàn)無影響。

將PVC管切割為16根長50cm的圓管，經(jīng)打磨后一端與連接頭相連。做成類似火炬形狀的標(biāo)準(zhǔn)件，可自由插接延長。通過L型角鐵將8個(gè)連接頭固定在大號(hào)整理箱上蓋及底座對應(yīng)位置（上下各4個(gè)）。使用時(shí)，將50cm長圓管相連接，4根為一個(gè)支柱。整理箱作為支架的上蓋與底座，將支柱插入上蓋和底座上固定好的連接頭中，即可搭起兩米高實(shí)驗(yàn)裝置。不用教具時(shí)，可拆卸支架將所有元件內(nèi)置于整理箱中，便于攜帶。

4使用

將運(yùn)行箱體置于彈簧原長位置釋放，并同時(shí)按下鍵盤上數(shù)據(jù)采集開關(guān)（在計(jì)算機(jī)上利用鍵盤映射編寫宏命令。將DISlab軟件操作簡化，實(shí)現(xiàn)一鍵開始、回放等功能）。一方面，在運(yùn)行箱體上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中可觀察到在平衡位置上方表示失重的綠燈亮，下方表示超重的紅燈亮：另一方面。在屏幕上可對應(yīng)觀察簧片超失重現(xiàn)象和傳感器采集的壓力與加速度數(shù)值圖像。在課堂教學(xué)中畫面可通過投影儀或連接電視機(jī)放大觀看。超失重現(xiàn)象時(shí)間較短。實(shí)驗(yàn)完畢后可點(diǎn)回放鍵將實(shí)驗(yàn)過程慢鏡頭回放或定格觀察。

該超失重教學(xué)演示器把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法（定性）與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段（定量）結(jié)合起來，在教學(xué)過程中能夠激發(fā)學(xué)生興趣，既展示了物理過程。又詮釋了物理意義，一體化完成從現(xiàn)象認(rèn)知到物理意義理解的探究過程。在制作過程中，除傳感器外（目前多數(shù)中學(xué)已配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備）均使用閑置或低成本材料，且因模塊化、一體化、輕量化設(shè)計(jì)的原因，具有良好的推廣價(jià)值。

（欄目編輯 王柏廬）