超重失重“液體壓強(qiáng)演示裝置”的改進(jìn)

賈闖 彭朝陽

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

高中物理超重失重演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路大體有兩種：一是直接讀取物體視重的大小(下稱“直接讀數(shù)”)，二是間接將物體視重轉(zhuǎn)換為某種物理現(xiàn)象(下稱“現(xiàn)象轉(zhuǎn)換”)[1].

直接讀數(shù)具有指向概念、操作簡單和可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，較為適合基礎(chǔ)薄弱、邏輯能力偏差的學(xué)生.然而，超重和失重是物體運(yùn)動(dòng)過程的狀態(tài)，“由于測力計(jì)隨物體一起快速移動(dòng)，學(xué)生觀察時(shí)視線很難跟上，就是演示者觀察也比較困難[2].而現(xiàn)象轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)補(bǔ)足了這一缺陷，常見的有“液體壓強(qiáng)計(jì)演示裝置”“重物組演示裝置”“磁力演示裝置”等.現(xiàn)象轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使得學(xué)生的學(xué)習(xí)過程不再只停留于“物理概念”本身，還體現(xiàn)了“科學(xué)思維”和“實(shí)驗(yàn)探究”[3]等物理學(xué)科核心素養(yǎng).

由于學(xué)生在初中已經(jīng)接觸到了液體壓強(qiáng)計(jì)，且初步學(xué)習(xí)了其工作原理，加之液體壓強(qiáng)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象較為明顯.因此，本文將以液體壓強(qiáng)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，主要從“裝置設(shè)計(jì)”和“實(shí)驗(yàn)演示”兩個(gè)階段，對傳統(tǒng)的“液體壓強(qiáng)計(jì)演示裝置”進(jìn)行改進(jìn).

1 設(shè)計(jì)背景

常見的“液體壓強(qiáng)計(jì)演示裝置”如圖1所示，主要由一個(gè)支架、滑輪組以及液體壓強(qiáng)計(jì)組成.該演示裝置主要通過手動(dòng)改變滑輪組右側(cè)鉤碼的數(shù)量實(shí)現(xiàn)重力差，進(jìn)而演示物體的超重和失重狀態(tài).然而這一演示過程僅能實(shí)現(xiàn)“向上加速”和“向下加速”兩種運(yùn)動(dòng)情況，“向上減速”和“向下減速”則無法直接呈現(xiàn).這樣一來，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程很容易產(chǎn)生困惑，甚至于會形成“向上運(yùn)動(dòng)物體超重”“向下運(yùn)動(dòng)物體失重”等錯(cuò)誤的認(rèn)知.

圖1 常見液體壓強(qiáng)計(jì)超重失重演示裝置

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1 制作材料

高度為1.2 m的支架,微小壓強(qiáng)計(jì)1個(gè),氣球1個(gè),輕質(zhì)定滑輪2個(gè),30 cm×30 cm減震軟墊1塊,塑料袋2個(gè),鐵球1個(gè),小鋼珠、橡皮泥和輕繩若干.

2.2 實(shí)驗(yàn)組裝

超重失重演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)裝置如圖2所示，將支架立于水平桌面上，支架頂部對稱安裝兩個(gè)定滑輪，用細(xì)線穿過定滑輪，細(xì)線兩端分別懸掛“配重鋼珠袋”和超重失重“演示裝置”.演示裝置與裝有適量有色溶液的“微小壓強(qiáng)計(jì)”接通.

“演示裝置c”是由一個(gè)罩有氣球膜的托盤和一個(gè)粘有橡皮泥的鐵球組成，橡皮泥用于配重調(diào)平微小壓強(qiáng)計(jì)液面，同時(shí)可防止鐵球滾動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)效果(詳見圖2).演示裝置與微小壓強(qiáng)計(jì)接通，對橡皮管上部做固定處理以防止彎折后氣流不暢，影響實(shí)驗(yàn)效果.整個(gè)裝置水平懸掛于定滑輪左端細(xì)線尾部，并懸空于桌子外側(cè).

圖2 超重失重液體壓強(qiáng)演示裝置圖

“配重鋼珠袋”懸掛于定滑輪右端細(xì)線上，由a,b兩個(gè)鋼珠袋組成，鋼珠袋a懸掛于輕繩上半部，鋼珠袋b懸掛于輕繩末端.兩個(gè)鋼珠袋內(nèi)分別裝有若干鋼珠，其質(zhì)量關(guān)系滿足

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實(shí)驗(yàn)器材組裝后的實(shí)物圖如圖3所示.

圖3 超重失重液體壓強(qiáng)演示裝置實(shí)物圖

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

該實(shí)驗(yàn)通過“微小壓強(qiáng)計(jì)”左右液面的高度變化來演示超重和失重現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)開始前，“演示裝置”懸空，在演示裝置內(nèi)小鐵球重力的作用下，已連接好的微小壓強(qiáng)計(jì)液面會出現(xiàn)高度差.此時(shí)，拔下橡皮管排出內(nèi)部壓縮氣體，適當(dāng)捏癟橡皮管后再連接液體壓強(qiáng)計(jì)，可適度增減鐵球上的橡皮泥進(jìn)行微調(diào)，使左右液面處于同一高度(即調(diào)平).右側(cè)兩個(gè)“配重鋼珠袋”完全懸空，輕繩處于繃緊狀態(tài)，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量為右側(cè)兩個(gè)鋼珠袋質(zhì)量的代數(shù)和.

此時(shí)“配重鋼珠袋”有效質(zhì)量略大于“演示裝置”質(zhì)量，釋放右側(cè)鋼珠袋，“演示裝置”向上做加速運(yùn)動(dòng).當(dāng)右側(cè)輕繩下所懸掛的鋼珠袋b接觸桌面的減震軟墊并停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量減小為鋼珠袋a的質(zhì)量，有效質(zhì)量小于“演示裝置”質(zhì)量，在一定時(shí)間內(nèi)，“演示裝置”向上做減速運(yùn)動(dòng).

當(dāng)“演示裝置”向上做減速運(yùn)動(dòng)且速度為零時(shí)，用手控制住鋼珠袋，使整個(gè)裝置停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量小于“演示裝置”質(zhì)量，釋放鋼珠袋后“演示裝置”向下做加速運(yùn)動(dòng).當(dāng)演示裝置下降至右側(cè)懸掛鋼珠袋b的輕繩處于緊繃狀態(tài)后，“配重鋼珠袋”的有效質(zhì)量增加為兩個(gè)鋼珠袋質(zhì)量的總和，且大于左側(cè)裝置的質(zhì)量，此后一定時(shí)間內(nèi)“演示裝置”向下做減速運(yùn)動(dòng).

需注意：這里所提到的“配重鋼珠袋的有效質(zhì)量”即穿過定滑輪，通過輕繩傳遞后真正作用于左側(cè)演示裝置的鋼珠袋的質(zhì)量.

3 實(shí)驗(yàn)分析

以“演示裝置”中的小鐵球?yàn)檠芯繉ο?，它受到兩個(gè)力：自身重力G和氣球膜對小鐵球的支持力.實(shí)驗(yàn)過程中共有4種運(yùn)動(dòng)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.

圖4 演示裝置內(nèi)小鐵球的4種運(yùn)動(dòng)情況

在實(shí)際操作中，當(dāng)演示裝置發(fā)生如上4種運(yùn)動(dòng)時(shí)，微小壓強(qiáng)計(jì)液面高度一般會處于變化的過程，分別取變化過程中液面位置的一個(gè)暫態(tài)作為參考，詳見圖5所示.

圖5 液體壓強(qiáng)計(jì)的液面高度暫態(tài)

列出演示裝置在這4種運(yùn)動(dòng)中，其加速度方向、小鐵球的重力G和氣球膜對小鐵球的支持力N的關(guān)系、液體壓強(qiáng)計(jì)“液面高度情況”、演示裝置狀態(tài)分析的對比關(guān)系如表1所示.

表1 演示裝置超重失重狀態(tài)分析

4 設(shè)計(jì)評價(jià)

物理演示實(shí)驗(yàn)要以學(xué)生為主體，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)為目的[4].考慮到學(xué)生容易將超重失重狀態(tài)和物體的運(yùn)動(dòng)方向相混淆的癥結(jié)，通過配重鋼珠袋的設(shè)計(jì)，有條理地演示了物體的4個(gè)運(yùn)動(dòng)過程.實(shí)驗(yàn)材料簡單易得，可重復(fù)性較強(qiáng)，學(xué)生亦可在課余時(shí)間進(jìn)行興趣實(shí)驗(yàn)，重在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).不足的是，在演示“向下減速”和“向上減速”時(shí)，如左右兩側(cè)質(zhì)量相差較大，減速過程的持續(xù)時(shí)間可能較為短暫，微小壓強(qiáng)計(jì)的液面變化不明顯，不利于實(shí)驗(yàn)觀察.在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可通過對定滑輪兩側(cè)的質(zhì)量配重作適宜的調(diào)試來解決此問題.