失重演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

李艷茹 張皓晶 張瑛 張雄

摘 要：提供一個(gè)自制的失重現(xiàn)象演示裝置，延長(zhǎng)了物體產(chǎn)生失重現(xiàn)象的時(shí)間， 自制的演示裝置簡(jiǎn)單、直觀、可靠并且成本低廉。應(yīng)用在高中物理教學(xué)中，較好地解決了失重問(wèn)題的引入，教學(xué)實(shí)踐表明在貧困農(nóng)村中學(xué)物理教學(xué)中效果較好。

關(guān)鍵詞：超重和失重；自由下落；浮力的作用；水和瓶子

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）5-0057-2

1 引 言

失重現(xiàn)象是人教版高中物理必修一第四章第七節(jié)的內(nèi)容，課本中介紹了人站在體重計(jì)上，下蹲、起立體重計(jì)的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化，用這一現(xiàn)象，來(lái)幫助學(xué)生進(jìn)一步理解超重和失重[1]，但由于體重計(jì)示數(shù)變化的時(shí)間極短，失重現(xiàn)象對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)仍然過(guò)于抽象。劉治宏、田勝安在《失重超重演示儀的制作》一文中也提到教科書(shū)上的這一方法存在一定的局限，譬如不利于在課堂上演示，難以讓學(xué)生身臨其境[2]。P.W.Kwok在教學(xué)研究中提出了一個(gè)新的關(guān)于失重現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)[3]，在演示實(shí)驗(yàn)中，作者把物體產(chǎn)生失重現(xiàn)象的時(shí)間延長(zhǎng)，讓學(xué)生可以清楚地看到物體的失重現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和步驟

（1）找一個(gè)常見(jiàn)的筆帽，把筆帽開(kāi)的一端用防水膠密封起來(lái)，且往筆帽上插入三枚回形針，筆帽通過(guò)加了防水膠和回形針（以下統(tǒng)稱筆帽）之后，可以直立地浮在水面上或者是緩慢地在水里下落（筆帽在裝有水的瓶子中下落時(shí)受力分析如圖1所示）；（2）當(dāng)筆帽從裝有水的瓶子的頂部釋放的時(shí)候，筆帽將緩慢地從瓶子頂部開(kāi)始往底部下落。當(dāng)筆帽下降到瓶子高度一半的時(shí)候，釋放瓶子，讓其自由下落[3]；（3）觀察此時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在筆帽隨瓶子自由下落的過(guò)程中，筆帽似乎凍結(jié)在了瓶子的中部，停止向瓶子底部運(yùn)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)原理分析

人教版高中物理（必修1）中對(duì)失重現(xiàn)象是這樣定義的：物體對(duì)支持物的壓力（或?qū)覓煳锏睦Γ┬∮谖矬w所受的重力的情況稱為失重現(xiàn)象[4]。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)筆帽隨瓶子自由下落時(shí)，筆帽和瓶子相對(duì)地面加速下降，筆帽處于失重狀態(tài)，又因?yàn)樾∏蚴е厍笆艿阶陨淼闹亓σ约八母×Φ淖饔茫е睾蠊P帽只受水的浮力作用，且失重前筆帽相對(duì)于地面的速度不為0。因此，當(dāng)筆帽隨瓶子自由下落的過(guò)程中，由于時(shí)間極短，筆帽靜止在瓶子中部，相對(duì)于瓶子靜止，不再向瓶子底部移動(dòng)。

（1）在這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)中如果筆帽在下落過(guò)程中不受到水的浮力的作用，筆帽將在極短的時(shí)間內(nèi)落到瓶底，學(xué)生將不能在本實(shí)驗(yàn)中清楚地看到失重現(xiàn)象。因此，本實(shí)驗(yàn)延長(zhǎng)了筆帽產(chǎn)生失重現(xiàn)象的時(shí)間。

（2）由于本實(shí)驗(yàn)在步驟中往筆帽里加防水膠和回形針，可以方便地調(diào)節(jié)好筆帽的重量并且控制它在水中下落的速度。

（3）當(dāng)做完一次實(shí)驗(yàn)，筆帽沉在了水底，這時(shí)需要把瓶子里的水倒空，取出筆帽，再次把水倒入瓶中，進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)。為了避免麻煩，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中往筆帽上插入了三枚回形針，然后用磁鐵把插有回形針和防水膠的筆帽從瓶子的底部吸引上來(lái)，提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

4 實(shí)驗(yàn)可以改進(jìn)的地方

由于在做本實(shí)驗(yàn)時(shí)需要把裝有水和筆帽的瓶子從3 m高的地方釋放，且下落時(shí)間為0.6～0.7 s，這個(gè)時(shí)間足夠?qū)W生捕捉下來(lái)，清楚地看到筆帽的失重現(xiàn)象。但仍然有可以改進(jìn)的地方，例如：（1）筆帽可以直接改成直徑2 cm的深色塑料球，避免塞防水膠和回形針的時(shí)間，從而提高了實(shí)驗(yàn)效率；（2）可以把實(shí)驗(yàn)中的水換成透明的洗潔劑，增大物體在下落過(guò)程中受到的阻力，再次延長(zhǎng)下落物體產(chǎn)生失重現(xiàn)象的時(shí)間；（3）用記號(hào)筆在瓶子上畫(huà)好刻度（如圖2所示）或粘一條直角坐標(biāo)紙?jiān)谄孔由献鑫恢玫臉?biāo)定，明確瓶子中部的具體位置，這樣不僅可以讓失重現(xiàn)象更加直觀，而且增加了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S習(xí)慣；（4）把重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn)的過(guò)程改為錄視頻的過(guò)程，把錄好的視頻復(fù)制在教室多媒體設(shè)備上，這樣可以在任意時(shí)間暫停、回放，保證每一位學(xué)生都看到明顯的失重現(xiàn)象。

5 小 結(jié)

本實(shí)驗(yàn)所需器材均簡(jiǎn)單易得，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，通過(guò)改進(jìn)之后，不僅節(jié)約了時(shí)間，而且提高了課堂教學(xué)效率，把失重現(xiàn)象更加清晰地展現(xiàn)給每一位學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。另外，實(shí)驗(yàn)中增加了用移動(dòng)設(shè)備錄視頻的實(shí)驗(yàn)步驟，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到了事半功倍的效果，真正體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的新課程理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]物理課程教材研發(fā)中心.物理1必修[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]劉治宏，田勝安.超重失重演示儀的制作[J].物理教學(xué)探討，2013，31（4）：54，56.

[3]PING WAI KWORK.A simple demonstration to visualize weightlessness July 2010 Phys.Educ.45 19.

[4]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2011.