利用DIS探究超重、失重現(xiàn)象

方　文　嚴(yán)國柱

(1. 江蘇省無錫市碩放中學(xué)，江蘇　無錫　214142；

2. 江蘇省梅村高級中學(xué)，江蘇　無錫　214112)

利用DIS探究超重、失重現(xiàn)象

方文1嚴(yán)國柱2

(1. 江蘇省無錫市碩放中學(xué)，江蘇無錫214142；

2. 江蘇省梅村高級中學(xué)，江蘇無錫214112)

摘要：傳統(tǒng)實驗裝置演示超重和失重現(xiàn)象時由于受到儀器原理等因素的制約，變化過程時間短，學(xué)生無法仔細(xì)觀察與定量分析實驗數(shù)據(jù).而利用DIS數(shù)字化實驗、傳感器等實驗設(shè)備，讓學(xué)生自己動手探究了超重失重的過程，有利于學(xué)生直觀、形象的認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象，理解超重和失重、完全失重現(xiàn)象的本質(zhì).

關(guān)鍵詞：高中物理；超重和失重；DIS數(shù)字化實驗

1問題的提出

在人教版必修1第四章《牛頓運動定律》第7節(jié)《用牛頓運動定律解決問題(二)》中研究了超重和失重現(xiàn)象.教材以電梯啟動、制動時，體重計的讀數(shù)變化為問題引入，分析了超重和失重的現(xiàn)象和特點，指出：“人站在體重計上，下蹲、起立，也能看到超重和失重現(xiàn)象”.在教學(xué)實踐中，電梯實驗和體重計實驗都屬于定性實驗，都不能對動態(tài)的物理過程做出定量的測量，只能暫停進行超、失重現(xiàn)象的演示.要理解超重和失重現(xiàn)象的本質(zhì)，可先從實驗角度定量研究其現(xiàn)象，再從理論推導(dǎo)其本質(zhì).

現(xiàn)階段研究超重和失重現(xiàn)象的主要方法有以下幾方面：利用拍攝電梯啟動、運行、制動時體重計讀數(shù)變化視頻進行研究(如圖1)；利用人站在體重計上下蹲、起立體重計讀數(shù)變化現(xiàn)象進行研究(如圖2)；利用超重和失重演示儀進行研究[1](如圖3)；利用數(shù)字化實驗進行研究[2](如圖4).本文介紹以DIS系統(tǒng)進行的超重和失重現(xiàn)象的實驗探究.

2基于DIS系統(tǒng)的超、失重現(xiàn)象的實驗設(shè)計與分析

2.1實驗裝置

實驗1、2的裝置如圖4和圖5所示，主要由DIS系統(tǒng)(力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線)、計算機、鉤碼、細(xì)線、海綿墊組成.用數(shù)據(jù)線將力傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機連接起來，將力傳感器下端用細(xì)線與鉤碼相連，手持力傳感器使鉤碼在豎直方向做向上加速和減速運動、向下加速和減速運動.

實驗3裝置如圖6、7所示，主要由DIS系統(tǒng)(力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線)、計算機、透明塑料杯、乒乓球、打火機等組成.在透明塑料杯底部用透明膠帶固定一小金屬圓環(huán)，細(xì)線一端固定在乒乓球上，一端穿過圓環(huán)后連接在上端的金屬絲上，細(xì)線繃緊，緊靠在塑料杯底部.將力傳感器固定在鐵架臺上，下端與塑料杯固定.

2.2實驗原理

所謂“超重”即物體對懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?大于物體所受重力的現(xiàn)象，“失重”即物體對懸掛物的拉力(或?qū)χС治锏膲毫?小于物體所受重力的現(xiàn)象.

設(shè)物體的質(zhì)量為m，重力加速度為g，對物體的拉力或支持力(視重)為F，取物體加速度方向為正.

(1) 向上加速運動時，加速度a方向向上，F(xiàn)-mg=ma，有F>mg，視重大于重力，物體處于超重狀態(tài).

(2) 向上減速運動時，加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

(3) 向下加速運動時，加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

(4) 向下減速運動時，加速度a方向向上，F(xiàn)-mg=ma，有F>mg，視重大于重力，物體處于超重狀態(tài).

(5) 當(dāng)加速度a=g時，mg-F=mg，有F=0，物體處于完全失重狀態(tài).

綜上所述，當(dāng)加速度a方向向上時，物體處于超重狀態(tài)，當(dāng)加速度a方向向下時，物體處于失重狀態(tài).

在實驗3中，當(dāng)研究幾個物體組成的系統(tǒng)的加速上升和加速下降問題時，可以簡化為關(guān)注系統(tǒng)的質(zhì)心運動的超重和失重問題，即對懸掛物的拉力或?qū)佑|面的壓力大于系統(tǒng)重力，還是小于系統(tǒng)重力問題.

本實驗設(shè)計中，實驗1、2的研究對象為鉤碼，實驗3的研究對象為注滿水的透明塑料杯和乒乓球組成的系統(tǒng)，視重F由力傳感器測定，輔助計算機，畫出F-t圖像，分析圖像，得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰蛨D像分析能力.

2.3實驗結(jié)果

啟動DIS通用擴展軟件，在工具欄中打開力傳感器通道，調(diào)節(jié)為示波顯示.

2.3.1實驗1

如圖5所示，鉤碼靜止?fàn)顟B(tài)下手持力傳感器向上加速運動后停止，后向下加速運動后停止，計算機記錄F-t波形如圖8所示.利用組合鍵Fn與PrntScm將頁面復(fù)制到畫圖工具中，觀察波形，學(xué)生分析波形各區(qū)間的含義，利用文本功能記錄，歸納超重和失重現(xiàn)象的定義和本質(zhì).

學(xué)生歸納：(1) 水平線表示F=mg，物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或加速度a=0.

(2) 超重現(xiàn)象：視重大于重力.失重現(xiàn)象：視重小于重力.

(3) 超重與失重現(xiàn)象與物體的運動方向無關(guān)，由物體的加速度方向決定.

超重現(xiàn)象：加速度a方向向上，F(xiàn)-mg=ma，有F>mg，視重大于重力，物體處于超重狀態(tài).

失重現(xiàn)象：加速度a方向向下，mg-F=ma，有F

2.3.2實驗2

如圖5所示，手持力傳感器與鉤碼靜止?fàn)顟B(tài)下釋放，計算機記錄F-t波形如圖9所示.利用組合鍵Fn與PrntScrn將頁面復(fù)制到畫圖工具中，觀察波形，學(xué)生分析波形含義，利用文本功能記錄，歸納完全失重的定義和本質(zhì).

學(xué)生歸納：完全失重現(xiàn)象：視重等于0.當(dāng)加速度a=g時，F(xiàn)-mg=mg，有F=0，物體處于完全失重狀態(tài).

圖 10

2.3.3實驗3

問題：如圖10所示，臺秤上裝有盛水的杯子，杯底用輕線系住一個木質(zhì)小球，若輕線斷裂，不計小球上升過程中水的阻力，則在小球上升過程中臺秤的示數(shù)如何變化？

如圖6、7所示，將力傳感器固定在鐵架臺上，下端與塑料杯固定，穩(wěn)定后用打火機燒斷細(xì)線，觀察波形(如圖11所示)，分析波形含義.

學(xué)生歸納：設(shè)兵乓球的質(zhì)量為m，水和水杯的總質(zhì)量為M，重力加速為g.

(1) 水平線表示平衡狀態(tài)下F=(m+M)g，a=0.

(2) 向上加速階段，F(xiàn)>(m+M)g，a方向向上.

(3) 向上減速階段，F(xiàn)<(m+M)g，a方向向下.

得出結(jié)論：(1) 乒乓球加速上升過程中，同體積的水加速向下運動，同體積的水質(zhì)量大于乒乓球質(zhì)量，系統(tǒng)處于超重狀態(tài).

(2) 乒乓球減速上升過程中，同體積的水減速向下運動，同體積的水質(zhì)量大于乒乓球質(zhì)量，系統(tǒng)處于失重狀態(tài).

3小結(jié)

超重、失重是牛頓第二定律在解決實際問題方面的運用，雖然較早出現(xiàn)了超重和失重演示儀，但受到儀器原理等因素的制約，現(xiàn)象時間短，學(xué)生無法仔細(xì)觀察與定量分析實驗數(shù)據(jù).之后出現(xiàn)了電梯實驗，并錄制了視頻，但較多老師講解時也只是在理論推導(dǎo)層面進行分析，不可能把學(xué)生帶去做電梯實驗，缺乏真實感，學(xué)習(xí)效果不明顯.在實驗1和2中，利用DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)，讓學(xué)生自己動手，增強學(xué)生體驗，從實驗角度探究了超重失重的過程，突出了由加速度a方向判斷超重失重狀態(tài)的方法，有利于學(xué)生直觀、形象的認(rèn)識超重和失重現(xiàn)象，理解超重和失重、完全失重現(xiàn)象的本質(zhì).在實驗3中，通過數(shù)字化設(shè)備，巧妙將一個有關(guān)超重和失重的難點問題用實驗的方法呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，讓學(xué)生在感性和理性思維受到?jīng)_擊的同時，凸顯了物理學(xué)科以實驗為基礎(chǔ)的內(nèi)涵，培養(yǎng)了學(xué)生對物理實驗的設(shè)計和分析能力，提升了學(xué)生物理實驗探究的興趣.

參考文獻：

[1] 陳起平，黃伙洪，劉一德.自制超重失重演示裝置[J].物理實驗，1985，(5)：189.

[2] 文林，李會.基于DIS的超重失重實驗研究[J].科技信息，2013，(21)：47-48.