王 震 汪玉莹

(辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁 大连 116029)

·物理实验·

自制模拟电梯演示仪,理解超重失重概念

王 震 汪玉莹

(辽宁师范大学物理与电子技术学院,辽宁 大连 116029)

高中物理超重与失重概念的教学中,利用自制的模拟电梯演示仪,让学生直观形象地观察超重与失重的现象,加深对抽象物理概念的理解．

模拟电梯演示仪;超重;失重

高中物理必修1“牛顿第二定律的应用——超重失重”的教学中,教师通常以电梯为例,播放电梯中的超重失重视频,再结合例题进行理论分析,由此得出超重失重的概念及产生条件．而在实际的情境中,电梯上升和下降运行的过程中要涉及到多次的超重与失重,学生的思考过程变长,需要多次转换思维来理解现象．为此,笔者自制了模拟电梯演示仪,课堂上“现场直播”超重与失重的过程,让学生们亲身感受超重与失重的产生条件、实质,加深对抽象物理概念的理解．

1 自制模拟电梯演示仪

(1) 所需器材.

铝合金支架(高2 m)、矩形木板2块(上下各1块,规格分别为70 cm×30 cm,25 cm×25 cm)、定滑轮2个、自制弹簧显示板(质量82 g)1块、尼龙细绳若干、80 g重物1个、50 g钩码1个、100 g钩码2个、法兰2个、海绵1块．

(2) 实验原理.

模拟电梯演示仪的制作是在简化电梯结构的基础上进行的,装置左侧自制弹簧显示板与重物的总质量M,右侧钩码分为两组,分别为M1、M2,M1和M2之间用70 cm细绳连接．

首先用手提起M1、M2(图1),使M2距地面80 cm,待整个系统保持静止时释放,让细线自然运动,可以看到M1、M2一端向下运动,故可判断M1、M2总质量大于自制弹簧和悬挂重物的总质量M,可以带动其加速上升．根据牛顿第二定律进行受力分析,细线对M的拉力为T,M所受重力为G,取向上为正方向,那么对M受力分析:T-G=Ma1;T=(M1+M2)g．

接着如图2,让钩码M2接触地面,用手沿绳向下拉动M1,使M1、M2之间的细线松弛,没有力的作用,待M、M1以及它们之间的细线稳定后释放M1,可以观察M1一端向上运动,故可判断质量M1小于自制弹簧和悬挂重物的总质量M,可以带动具有初速度的M减速上升．此时对M受力分析:T′-G=Ma2;T′=M1g．已知M=162 g,右侧钩码M1=100 g、M2=150 g,计算得出理论值,即加速度a1=0.54 m/s2,向上加速运行时间t1=1.72 s;a2=-0.38 m/s2,向上减速运行时间t2=0.67 s．

图1 超重过程原理图

图2 失重过程原理图

理论求得的向上加速运行时间和向上减速运行时间都比较短．尽管时间短,但视神经对物体的印象不会立即消失,而要延续1/24 s左右的时间,人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”．就是说,人眼一般分辨画面的时间不能少于42 ms,实验理论计算得出物体运动的时间是670 ms,学生完全能够对弹簧指针的变化情况做出观察．

由此可见,通过模拟电梯演示仪,学生可以在M上升过程中,完成向上加速(超重)、向上减速(失重)两种运动情况的观察．

2 仪器制作

(1) 连接线的选择.

实验装置(图3)的主体部分由细线连接,选择了光滑的尼龙细绳,绳与滑轮之间的摩擦较小,并且尼龙绳稳定性较好、结实,多次反复进行实验仍能承受住系统的重量．

图3 模拟电梯演示仪实物图

(2) 自制弹簧显示板.

实验室中学生常见的弹簧测力计分度值较小,示数变化不够明显,需要近距离仔细观察才能看到指针的变化．笔者采用自制的弹簧显示板来展示示数的变化,它由一块亚克力板和一段劲度系数适中的弹簧组成,其分度值较大,示数清晰,指针用红色的铁片做成,从背景中凸显出来,刺激学生的感官,学生能快速准确地观察到指针的变化情况．

(3) 缓冲海绵.

真实电梯的结构里面,缓冲器起到冲顶和撞底的保护作用．模拟电梯演示仪中,整个装置的底端铺上柔软的厚海绵起到缓冲保护作用,避免下方钩码落地时由于冲击太大而对减速上升运动有所影响．

3 超重与失重演示过程

(1) 实验具体操作.

图4 静止示数

首先读出静止时自制弹簧显示板指针所对应的示数(指针刻度值等于重物M的重力)(图4)．第一次实验,释放钩码M1、M2,观察释放瞬间指针的变化,可以看到示数明显变大(图5)．第二次实验,释放钩码M1、M2,观察M1落地后瞬间指针的变化,可以看到示数明显变小(图6)．结合牛顿第二定律,牛顿第三定律可知,第1次实验时,示数大于重物M的重力,为超重；第2次实验时,示数小于重物M重力,为失重．

图5 超重示数

图6 失重示数

(2) 分析实验现象得出结论.

理论分析的基础上,结合对实验过程的反复观察,学生通过对比弹簧显示板的示数和重物M重力之间的大小关系,归纳总结出超重和失重的物理概念．即物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)大于物体所受重力的现象,为超重现象;物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)小于物体所受重力的现象,为失重现象．

4 演示仪的主要优点

(1) 模拟电梯演示仪结构简单,示数变化明显.

仪器结构框架简单,一目了然．装置容易拆装,携带方便．仪器高度适中,既能满足整个装置运动所需要的距离,也使弹簧显示板始终在观察者合理的视线范围内运动,有利于观察．两个滑轮之间的间距合理,在观察运动情况的过程中,既能观察到M1、M2的运动状态,又能捕捉到弹簧显示板示数瞬时的变化,不会造成左右两边视觉混淆．指针采用了红色,色彩醒目,刺激学生的视觉,能够引起注意．

(2) 一次实验中演示超重与失重两种现象.

模拟电梯演示仪可在一次实验中实现向上加速和向上减速两个运动过程,重物M先超重后失重,超重与失重的现象直观地呈现在学生眼前,学生进行对比观察,观察勾码的运动过程,观察弹簧显示板指针的变化,加深了学生对抽象的物理概念的理解．

(3) 有助于提高学生的观察力.

实验中指针的运动时间很短暂,需要学生集中注意力,观察指针刻度瞬间的变化．这个环节训练了学生观察力的指向性和敏锐性,提高了他们的观察能力．同时学生们也对他们能够捕捉到的霎那间的变化而兴奋不已,充分地调动了学习的积极性．

自制模拟电梯演示仪在“牛顿第二定律的应用——超重失重”教学中的使用,实验现象明显,演示效果直观,带给学生的是惊喜,更为重要的是训练了学生的观察能力,加深了学生对物理概念的理解．

1 朱敏亮,肖化.基于滑轮组的超重失重演示仪[J].中学物理教学参考,2015(15):29-30.

2 刘国江.农村高中低成本物理实验的案例研究[D].辽宁师范大学, 2015.

3 弭宝国,王硕军.对超重、失重演示实验的改进[J].大学物理,2006, 25(5):32-33.

2017-03-29)