基于DISLAB系統(tǒng)的“超重與失重”演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

徐曉飛 錢長(zhǎng)炎

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,安徽 蕪湖 241002)

高中物理“超重與失重”一般安排在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)內(nèi)容之后,要求學(xué)生在了解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象.[1]在其教學(xué)過(guò)程中,現(xiàn)行的演示實(shí)驗(yàn)存在著一些不足,不利于學(xué)生的學(xué)習(xí).

鑒此,為克服這些缺點(diǎn),筆者以生活中常見(jiàn)的電梯為模型,設(shè)計(jì)并制作出基于DISLAB系統(tǒng)的超重失重演示實(shí)驗(yàn)裝置.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

在“超重與失重”教學(xué)中,有多種方法可以演示超重與失重現(xiàn)象,如人站在體重計(jì)上下蹲和起立[2]、側(cè)面打孔且裝滿水的瓶子自由下落等[3].但這些方法或變化過(guò)程較為短暫或結(jié)果不夠直觀,不便于學(xué)生觀察和理解.這就需要我們改進(jìn)出更加適合課堂教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)裝置.

本實(shí)驗(yàn)裝置是用繩子對(duì)力學(xué)傳感器向上的拉力代替電梯地板對(duì)物體向上的支持力,模擬電梯運(yùn)行過(guò)程中加速上升、勻速上升以及減速上升和加速下降、勻速下降以及減速下降6種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而探究超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì).改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)改變滑輪左側(cè)掛在繩端的鉤碼個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程.

超重是物體對(duì)懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?大于物體所受重力的現(xiàn)象； 失重是物體對(duì)懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?小于物體所受重力的現(xiàn)象.設(shè)力學(xué)傳感器的質(zhì)量為m1,所掛鉤碼質(zhì)量為m2,傳感器視重為F,力學(xué)傳感器上下運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度為a,加速度取豎直向上為正方向.

(1) 當(dāng)模擬電梯加速上升和減速下降時(shí),加速度a豎直向上,m2g-m1g=ma=F>0,即鉤碼的質(zhì)量要大于傳感器的質(zhì)量.

(2) 當(dāng)模擬電梯減速上升和加速下降時(shí),加速度a豎直向下,m2g-m1g=ma=F<0,即鉤碼的質(zhì)量要小于傳感器的質(zhì)量.

(3) 當(dāng)模擬電梯勻速上升和勻速下降時(shí),加速度a大小為0,m2g-m1g=ma=F=0,即鉤碼的質(zhì)量等于傳感器的質(zhì)量.[4]

2 實(shí)驗(yàn)裝置及制作

本實(shí)驗(yàn)裝置由以下部分組成(如圖1):滴定臺(tái)2個(gè);長(zhǎng)70 cm、寬30 cm的木板1個(gè);長(zhǎng)20 cm、寬3 cm的木條2根;滑輪2個(gè);滑輪支架2個(gè)；長(zhǎng)約1 m的細(xì)繩1根.

本實(shí)驗(yàn)裝置制作過(guò)程如下.

圖1 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(1) 將2個(gè)滑輪安裝進(jìn)滑輪支架.

(2) 將2個(gè)木條用膠水粘結(jié)在一起,將之前安裝好的滑輪及滑輪支架用膠水固定在粘結(jié)好的木條上.

(3) 將組裝好的滑輪、滑輪組以及木條用膠水固定在木板上,并注意要安裝在木板的正中.

(4) 將2個(gè)滴定臺(tái)固定在一起,并將木板固定在滴定臺(tái)的支架上.

上升過(guò)程中的超重與失重現(xiàn)象

下降過(guò)程中的超重與失重現(xiàn)象

上升和下降過(guò)程中超重與失重現(xiàn)象的演示結(jié)果如圖2所示.

本實(shí)驗(yàn)裝置選擇的滴定臺(tái)和普通鐵架臺(tái)相比,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的微小振動(dòng)更少,從而減少儀器振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)中波形圖結(jié)果的影響.同時(shí)木板和木條以及細(xì)繩都易于取材,便于制作.

3 小結(jié)

通過(guò)利用DISLAB系統(tǒng)對(duì)超重和失重演示實(shí)驗(yàn)的重新設(shè)計(jì)和裝置的制作,我們發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)裝置易于取材和制作，同時(shí)裝置實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單,現(xiàn)象明顯,便于學(xué)生的觀察和理解,能有效地幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì).

在本實(shí)驗(yàn)裝置的制作過(guò)程中,我們深深體會(huì)到演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性，我們也進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)代信息技術(shù)有效結(jié)合,為中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更為優(yōu)質(zhì)的方案,提升教學(xué)效果.這也應(yīng)當(dāng)成為我們物理教育工作者努力的方向之一.

參考文獻(xiàn)：

1 人民教育出版社. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))[M]. 北京:人民教育出版社,2003:12.

2 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理1必修[M]. 北京:人民教育出版社,2013:89.

3 人民教育出版社,課程教材研究所,物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理1必修教師教學(xué)用書(shū)[M]. 北京:人民教育出版社,2009: 126.

4 王震,汪玉瑩. 自制模擬電梯演示儀,理解超重失重概念[J]. 物理教師,2017, 38(8):45-47，45.