超重、失重磁力演示裝置的改進

賈 闖，彭朝陽

(云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

超重、失重磁力演示裝置的改進

賈 闖，彭朝陽

(云南師范大學 物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

通過設計配重鋼珠袋改進了超重、失重磁力演示裝置，在向上和向下2個運動過程中實現(xiàn)拉力的自動化改變，利用異名磁極的相互作用，演示了物體的超重和失重現(xiàn)象.

超重；失重；磁力

超重、失重不是重力的增加或減少，而是物體對支持物的壓力或懸掛物的拉力發(fā)生了變化，物體的重力依然存在且大小不變[1]. 在實際教學中，教師也設計和制作了大量的演示教具來幫助學生更好地學習和理解這部分內容. 常見的實驗設計有“直接測量裝置”、“液體壓強計演示裝置”[2]、“重物組演示裝置”[3]、“磁力演示裝置”[4]等. “磁力演示裝置”相比于其他幾種設計則較有新意，但仍存在可以改進之處.

1 設計背景

圖1 常見磁力超失重演示器

常見的自制磁力“超失重演示器”如圖1所示，主要由2個環(huán)形磁鐵及可以封閉為矩形的材料(穿過環(huán)形磁鐵)組成. 在演示超失重現(xiàn)象時，主要通過手動操作，以演示物體“向上運動”和“向下運動”時環(huán)形磁鐵相對位置的變化來反映物體的超重和失重狀態(tài). 而物體本身的運動情況并沒有直觀呈現(xiàn)，無法清晰地揭示“向上加速”、“向上減速”、“向下加速”、“向下減速”這4種情況下物體本身的超重和失重狀態(tài). 學生很容易產生困惑，甚至于會行成“向上運動物體超重”、“向下運動物體失重”等錯誤的認知.

2 實驗改進

2.1 制作材料

高為1.2 m的支架，20 cm長細木棒1根，內外直徑分別為23.6 mm和16.8 mm、厚度為6.35 mm的小磁環(huán)2個，礦泉水瓶蓋2個，輕質定滑輪2個，30 cm×30 cm減振軟墊1塊，塑料袋2個，鋼珠和輕繩若干.

2.2 實驗組裝

超重失重演示實驗改進裝置如圖2所示，將支架立于水平桌面上，支架頂部對稱安裝2個定滑輪，用細線穿過定滑輪，細線兩端分別懸掛超失重演示裝置和配重鋼珠袋.

圖2 超重、失重演示裝置圖

在1根20 cm長的細木棒上穿有2個保持一定間距的小磁環(huán)，由此構成“演示裝置c”. 為防止磁鐵碰撞損壞，在小磁環(huán)上分別罩2個鉆孔的礦泉水瓶蓋. 2個小磁環(huán)異名磁極相對，且F略小于摩擦力(無外力時相對靜止). 整個裝置水平懸掛于定滑輪左端細線尾部，并懸空于桌子外側.

配重鋼珠袋懸掛于定滑輪右端細線尾部，由2個鋼珠袋a和b 組成：上部分為輕繩與鋼珠袋a相連接，下方與一段較長的輕繩連接，輕繩末端再依次連接鋼珠袋b. 2個鋼珠袋內分別裝有若干鋼珠，其質量關系滿足：ma

實驗器材組裝后的實物圖如圖3所示.

圖3 超重、失重磁力演示裝置實物圖

2.3 實驗操作

該實驗通過演示裝置2個小磁環(huán)的相對位置演示超重和失重現(xiàn)象. 實驗開始前，演示裝置懸空，2個小磁環(huán)異名磁極相對，調整適當間距使得小磁環(huán)保持靜止. 右側2個配重鋼珠袋完全懸空，棉線處于繃緊狀態(tài)，配重鋼珠袋的有效質量為右側2個鋼珠袋質量的代數(shù)和.

此時配重鋼珠袋有效質量略大于演示裝置c的質量，釋放右側鋼珠袋，演示裝置c向上作加速運動. 當右側棉線下所懸掛的鋼珠袋b接觸桌面的減振軟墊并停止運動時，配重鋼珠袋的有效質量減小為棉線以上鋼珠袋a的質量，有效質量小于演示裝置c質量，在一定時間內，演示裝置c向上作減速運動.

當演示裝置向上作減速運動且速度為零時，用手控制住鋼珠袋，使整個裝置停止運動，此時配重鋼珠袋的有效質量小于演示裝置質量. 重新調整適當間距使得小磁環(huán)保持靜止，釋放鋼珠袋，演示裝置向下作加速運動. 當該裝置下降至右側懸掛鋼珠袋b的棉線處于緊繃狀態(tài)后，配重鋼珠袋的有效質量增加為2個鋼珠袋質量的總和，且大于左側裝置的質量，此后一定時間內演示裝置向下作減速運動.

需注意：這里所提到的配重鋼珠袋的有效質量即穿過定滑輪，通過輕繩傳遞后真正作用于左側演示裝置的鋼珠袋的質量.

3 實驗分析

實驗演示過程中超失重演示裝置共有4種運動情況(如圖4所示),分別為：向上加速、向上減速、向下加速、向下減速.

(a)向上加速 (b)各上減速 (c)向下加速 (d)向下減速圖4 演示裝置的4種運動情況

如圖5所示，以左側小磁環(huán)為研究對象，對其在水平和豎直2個方向上受力分析.

列出演示裝置在這4種運動后，其加速度方向、輕繩的拉力F與演示裝置重力G、磁環(huán)與木筷間的最大靜摩擦力fmax與2個小磁環(huán)間吸引力F吸、磁環(huán)相對位置、演示裝置狀態(tài)分析的對比關系如表1所示.

圖5 左側小磁環(huán)在水平和豎直方向上的受力分析

運動情況a方向F與Gfmax與F吸磁環(huán)相對位置狀態(tài)分析向上加速向上F>Gfmax>F吸原位置超重向上減速向下FGfmax>F吸原位置超重

4 結束語

利用磁力的原理設計實驗，不同于傳統(tǒng)的超重失重演示裝置，實驗材料簡單、易得，成本低廉且組裝方便. 配重鉤碼的設計較為新穎，可以自動化改變演示裝置的受力，進而從物體本身的運動情況出發(fā)，有條理地呈現(xiàn)物體的超重和失重狀態(tài)，避免學生將超重失重狀態(tài)和物體的運動方向相混淆，培養(yǎng)了學生物理學習的實驗素養(yǎng). 演示裝置可以較為直觀地呈現(xiàn)失重現(xiàn)象，但演示超重現(xiàn)象時，小磁環(huán)保持靜止，只能通過受力分析來進行解釋，實驗現(xiàn)象不明顯，有待完善和改進.

[1] 王維. 超重與失重演示裝置的改進[J]. 物理實驗,2017,37(3):60-61.

[2] 孫永華. 對超重和失重演示實驗的改進[J]. 物理實驗,2005,25(4):34.

[3] 董剛. 基于“重物組”的超重失重演示實驗的再改進[J]. 物理通報,2017,36(3):99-101.

[4] 王秀蘭. 自制超失重演示器在物理實驗教學中的應用[J]. 理科考試研究，2016,23(5):50.

Improvingmagneticforcedemonstrationdeviceforoverweightandweightlessness

JIA Chuang， PENG Zhao-yang

(School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China)

A counterweight steel balls were used in the magnetic-force demonstration device for overweight and weightlessness. In the up and down movement， tension could change automatically. By using the interaction between the opposite magnetic poles, the phenomena of overweight and weightlessness were demonstrated.

overweight; weightlessness; magnetic force

G633.7

B

1005-4642(2017)11-0059-03

2017-07-08

賈 闖(1993-)，男，陜西西安人，云南師范大學物理與電子信息學院2016級碩士研究生，研究方向物理課程與教學.

彭朝陽(1971-)，男，江西安福人，云南師范大學物理與電子信息學院教授，博士，研究方向物理課程教學和天體物理.

[責任編輯：尹冬梅]