超重與失重演示裝置的改進(jìn)

王 維

(亳州市第一中學(xué),安徽 亳州 236800)

超重與失重演示裝置的改進(jìn)

王 維

(亳州市第一中學(xué),安徽 亳州 236800)

對(duì)原超重失重實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，利用蓄電池和小燈泡等簡(jiǎn)易材料設(shè)計(jì)了觸發(fā)電路，當(dāng)重物出于失重狀態(tài)時(shí)，綠燈亮；當(dāng)重物出于超重狀態(tài)時(shí)，紅燈亮，同時(shí)燈的位置也發(fā)生了相對(duì)改變，更明確地演示了超重和失重現(xiàn)象．

超重；失重；演示實(shí)驗(yàn)

超重、失重不是重力的增加或減少，而是物體對(duì)支持物的壓力或是對(duì)懸掛物的拉力發(fā)生了變化，物體的重力依然存在且大小不變. 學(xué)生對(duì)此的理解學(xué)生往往困難較大，所以筆者借助自制演示儀幫助學(xué)生理解超重與失重的本質(zhì).

1 實(shí)驗(yàn)原理

自制實(shí)驗(yàn)儀演示超重與失重現(xiàn)象如圖1所示． 該實(shí)驗(yàn)通過(guò)紅綠燈的位置演示超重和失重現(xiàn)象(綠燈固定在彈簧秤的面板上，而紅燈固定在研究對(duì)象的重物上)． 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，紅燈與綠燈處于相同高度，左側(cè)定滑輪下方懸掛適量的鉤碼．

圖1 超重與失重自制簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)儀

圖2 超重與失重自制簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

若鉤碼質(zhì)量大于右側(cè)定滑輪下方彈簧秤及電路模塊的總質(zhì)量時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，綠燈亮，由靜止開(kāi)始釋放鉤碼，鉤碼往下做加速運(yùn)動(dòng)，彈簧秤向上做加速運(yùn)動(dòng)，彈簧秤的指針相對(duì)刻度面板向下運(yùn)動(dòng)，與指針固定的連接紅燈的導(dǎo)線觸點(diǎn)與彈簧秤刻度面板左側(cè)3個(gè)觸點(diǎn)中的最下方的觸點(diǎn)相接，紅燈便亮． 此時(shí)，可觀察到：紅燈在下方，綠燈在上方．

減小重物配重，鉤碼質(zhì)量小于右側(cè)物體質(zhì)量時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，綠燈亮，釋放鉤碼，鉤碼向上做加速運(yùn)動(dòng)，右側(cè)重物向下做加速運(yùn)動(dòng)，彈簧秤的指針相對(duì)刻度面板向上運(yùn)動(dòng)，與指針固定的連接紅燈的導(dǎo)線觸點(diǎn)與彈簧秤刻度面板左側(cè)3個(gè)觸點(diǎn)中的最上方的觸點(diǎn)相接，紅燈便亮． 此時(shí)，容易觀察到紅燈在上方、綠燈在下方．

通過(guò)觀察紅燈與綠燈位置，便演示了超重與失重現(xiàn)象，現(xiàn)象明顯且易于觀察．

2 實(shí)驗(yàn)步驟

1)調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺絲B，鐵架臺(tái)立柱為垂直．

2)取適量鉤碼，將鉤碼與彈簧秤-電路模塊分別繞過(guò)定滑輪懸掛于兩端，紅燈與綠燈起初位于相同高度，手持細(xì)線使得整個(gè)裝置初始處于靜止?fàn)顟B(tài)．

3)閉合開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮綠燈，松開(kāi)細(xì)線，鉤碼向下運(yùn)動(dòng)，重物向上運(yùn)動(dòng)，觀察紅燈與綠燈的相對(duì)位置變化．

4)鉤碼與重物下落一段時(shí)間后，握住細(xì)線，讓物體停止運(yùn)動(dòng)，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)．

5)減少鉤碼的個(gè)數(shù)，使鉤碼向上運(yùn)動(dòng)，重物向下運(yùn)動(dòng)，重復(fù)上述步驟3)與4)．

6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理實(shí)驗(yàn)器材儀．

3 理論分析

由速度和加速度不同方向產(chǎn)生4種組合：向上加速、向上減速、向下加速和向下減速． 取重物向上加速運(yùn)動(dòng)情況分析．

設(shè)重物的質(zhì)量為m，以加速度a加速上升． 對(duì)彈簧秤下重物受力分析如圖3所示,根據(jù)牛頓第二定律F-G=ma,所以F=G+ma. 根據(jù)牛頓第三定律，物體對(duì)彈簧秤的拉力F′=G+ma>G,所以，該現(xiàn)象為超重現(xiàn)象．

圖3 分力分析

其余3種情況，作類似分析，將結(jié)論歸納于表格1中.

表1 物體超重與失重分析

由表格經(jīng)分析可知，超重、失重與加速度有關(guān)，與速度無(wú)關(guān)． 當(dāng)物體具有向上的加速度時(shí)，產(chǎn)生超重現(xiàn)象；但物體具有向下加速度時(shí)，產(chǎn)生失重現(xiàn)象．

4 注意事項(xiàng)

1)鉤碼個(gè)數(shù)選取要適量，不宜過(guò)多或過(guò)少．

2)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，紅燈與綠燈要處于相同高度．

3)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，注意不要使物體撞擊地面，防止實(shí)驗(yàn)器材損壞．

[1] 馮一兵. 超重與失重演示裝置[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(10)：31.

[2] 宋艷芝，李衛(wèi)東. 超重、失重演示裝置的制作[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2003，23(2)：33-35.

[3] 孫永華. 對(duì)超重和失重演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2005，25(4)：34.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Improvement on the demonstration device of overweight and weightlessness

WANG Wei

(No.1 Middle School of Bozhou, Bozhou 236800, China)

The traditional demonstration device of overweight and weightlessness was improved. The improved device used some materials, such as accumulator and bulb, in the trigger circuit. When the object was weightless, the green light turned on; when the object was overweight, the red light turned on. With the color change of the light, its position also changed. So, the phenomena of overweight and weightlessness were demonstrated clearly.

overweight; weightlessness; demonstration experiment

2016-09-25

王 維(1980-)，男，安徽亳州人，亳州市第一中學(xué)高級(jí)教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教育工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)03-0060-02