基于替代法的“超重與失重”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陜西 董晨碩

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，落實(shí)核心素養(yǎng)。

創(chuàng)新的物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有獨(dú)創(chuàng)性，在取材上簡單易行、實(shí)驗(yàn)用具更加生活化和有新意、實(shí)驗(yàn)過程能釋疑解惑，不僅能解釋相關(guān)的物理現(xiàn)象，而且使物理學(xué)習(xí)過程更加豐富多彩。同時(shí)，通過培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、推理能力、探究素養(yǎng)，體現(xiàn)“猜想與假設(shè)”的科學(xué)精神，使學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案和獲取證據(jù)，進(jìn)一步促使物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。

“超重與失重”是高中物理必修一(人教版)最后一節(jié)的內(nèi)容，它作為一種生活中的物理現(xiàn)象，涉及對(duì)牛頓定律的應(yīng)用，同時(shí)也與航天科技前沿有密切聯(lián)系。所以，通過實(shí)驗(yàn)探究超重和失重物理現(xiàn)象的發(fā)生原因，是學(xué)習(xí)本知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案

教材中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)案例為人站在體重計(jì)上改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀察示數(shù)變化，有兩種設(shè)計(jì)方案。第一種方案，在彈簧測(cè)力計(jì)的下端懸掛一個(gè)重物，首先讓重物保持平衡狀態(tài)，即保持物體靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)(各個(gè)方向)，觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)，此時(shí)的讀數(shù)大小等于物體重力；其次，讓掛著重物的測(cè)力計(jì)做豎直向上的加速運(yùn)動(dòng)并觀察測(cè)力計(jì)示數(shù)，可發(fā)現(xiàn)大于靜止時(shí)的示數(shù)，即物體處于超重狀態(tài)，反之則為失重狀態(tài)。第二種方案，將體重計(jì)放置在電梯中，人站在體重計(jì)上，記錄體重計(jì)在電梯不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的示數(shù)(平衡狀態(tài)、變速運(yùn)動(dòng))。兩種方案的實(shí)驗(yàn)原理都是通過記錄加速上升、勻速上升的測(cè)力計(jì)最大讀數(shù)，以及物體減速上升過程中測(cè)力計(jì)最小讀數(shù)來進(jìn)行判斷。

1.教材實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)驗(yàn)器材簡單，操作步驟容易；

(2)學(xué)生可以親自體驗(yàn)，提高動(dòng)手能力；

(3)強(qiáng)化了人對(duì)物體的作用力，能直接通過體重計(jì)觀察人與支持物之間的作用力的變化；

(4)與生活實(shí)際聯(lián)系緊密。

2.教材實(shí)驗(yàn)存在的不足

(1)體重計(jì)示數(shù)穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，效果不佳，導(dǎo)致示數(shù)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不對(duì)應(yīng)，容易讓學(xué)生產(chǎn)生誤解；

(2)不能同步演示超重和失重；

(3)體重計(jì)在實(shí)際生活中用來稱量體重，人在體重計(jì)起立或下蹲，會(huì)引起示數(shù)變化，可能導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為體重發(fā)生了變化，不易理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本質(zhì)；

(4)不易控制加速度的大小，超重失重過程十分短暫，學(xué)生不易觀察讀數(shù)。

二、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案

“超重與失重”實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案主要依據(jù)替代法原理，將體現(xiàn)主題的關(guān)鍵因素但又不易觀察到的因素進(jìn)行“強(qiáng)化”，把物體間的相互作用力的變化顯示出來。一方面，在彈簧拉伸效應(yīng)下，物體對(duì)支持物的壓力或?qū)覓煳锏睦Φ母淖儽容^明顯，容易被觀察到，使該實(shí)驗(yàn)便于演示操作。另一方面，該實(shí)驗(yàn)要突出嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，用電子測(cè)力儀可以顯示物體對(duì)支持物的壓力和拉力變化，使該實(shí)驗(yàn)便于量化觀測(cè)。

1.實(shí)驗(yàn)材料

塑料管、兩根彈簧、金屬圓柱體、電阻片、電子測(cè)力儀。

2.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

如圖1所示，A、B各為一端封閉的塑料管，將其豎直放置。首先，把一根直徑小于塑料管直徑的彈簧一端用膠水固定在A管的底部，金屬圓柱體物塊固定在彈簧上端，用以保證當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，圓柱體的上表面能與管的上截面相切。根據(jù)二力平衡可知，此時(shí)圓柱體對(duì)彈簧的壓力等于自身的重力。其次，將一根直徑小于塑料管直徑的彈簧一端固定在B管的頂部，將一圓柱形物塊固定在彈簧下端，確保當(dāng)系統(tǒng)靜止時(shí)，金屬圓柱體的下表面與管的下截面相切，此時(shí)圓柱體對(duì)彈簧的拉力等于自身的重力。最后，將A管的底部和B管的頂部固定在一起，把電阻片裝置在兩管的內(nèi)壁，并在金屬圓柱體和電阻片固定端之間裝置測(cè)力儀。

圖1 “超重與失重”實(shí)驗(yàn)原理示意圖

3.實(shí)驗(yàn)原理

物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，彈簧受到的作用力不同。超重時(shí)，物體對(duì)彈簧的作用力大于自身的重力，位于A圓柱體的彈簧被壓縮，位于B圓柱體的彈簧被拉伸。同樣的原理，失重時(shí)，物體對(duì)彈簧的拉力小于自身的重力，位于上方的彈簧被拉伸，位于下方的彈簧被壓縮。根據(jù)記錄到的測(cè)力儀讀數(shù)，與原物體的自身重量進(jìn)行對(duì)比，判斷超重或失重。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

(1)超重現(xiàn)象。用手握住塑料管使其在豎直方向上做加速上升或者減速下降的運(yùn)動(dòng)，可觀察到位于下方的圓柱體露出管外，而看不到位于上方的圓柱體。此時(shí)，下方圓柱體對(duì)彈簧的拉力大于自身的重力，物體處于超重狀態(tài)，物體加速度越大露在塑料管外的圓柱體就越多，當(dāng)加速度達(dá)到一定值時(shí)可以看到彈簧，加速度越大彈簧拉伸程度越大。同時(shí)，記錄測(cè)力儀上的讀數(shù)。

(2)失重現(xiàn)象。用手握住塑料管使其在豎直方向上做減速上升或者加速下降的運(yùn)動(dòng)，可觀察到位于上方的圓柱體露出管外，而看不到位于下方的圓柱體。此時(shí)，下方圓柱體對(duì)彈簧的拉力小于自身的重力，物體處于失重狀態(tài)。同時(shí)，記錄測(cè)力儀上的讀數(shù)。

5.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

(1)為了避免把兩根彈簧視為一根彈簧，可選擇不同顏色且較為鮮艷的兩根彈簧；

(2)為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，可選擇彈性系數(shù)更小的彈簧，或者質(zhì)量較大的金屬圓柱體；

(3)為了進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)誤差，可以選用輕質(zhì)彈簧。

三、結(jié)語