用彈簧測力計(jì)探究超重與失重

■成都新世紀(jì)外國語學(xué)校八年級(jí)（7）班 袁梓童

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

探究彈簧測力計(jì)的示數(shù)究竟測量的是什么力，觀察不同場景下彈簧測力計(jì)示數(shù)的變化，研究彈簧測力計(jì)示數(shù)大小與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系，以及超重與失重的概念。

二、實(shí)驗(yàn)材料

彈簧測力計(jì)（1N），小卷膠布，凳子，中性筆。

圖1

三、實(shí)驗(yàn)過程

1.將彈簧測力計(jì)調(diào)零（之后每個(gè)與測量有關(guān)的步驟首先都要調(diào)零），并將中性筆掛在掛鉤上，待穩(wěn)定后觀察示數(shù)。此彈簧測力計(jì)量程為0~1N，分度值為0.02N。如圖2所示，此中性筆受重力約0.1N。

圖2

2.接下來，觀察走路、騎車、電梯升降等情景下，彈簧測力計(jì)示數(shù)的變化。以上每個(gè)場景中的被測量物都是上一步驟中重力為0.1N的中性筆。

（1）走路時(shí)

a.過程與現(xiàn)象

將中性筆掛在彈簧測力計(jì)上，繞房間走幾個(gè)來回，觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù)變化，用相機(jī)記錄。回放視頻時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，走動(dòng)時(shí)指針在0.1N的位置上下擺動(dòng)，幅度最大可達(dá)0.14N。轉(zhuǎn)身時(shí)，指針擺動(dòng)幅度較大。

b.猜想

人走動(dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，被掛在彈簧測力計(jì)上的中性筆在慣性的作用下前后、左右擺動(dòng)，給彈簧測力計(jì)來自不同方向、不同大小的力。在這些力的影響下，彈簧測力計(jì)出現(xiàn)不規(guī)則的上下?lián)u擺。

人行走時(shí)，中性筆并不是勻速直線運(yùn)動(dòng)。人的雙腳交替前進(jìn)，前腳邁出，后腳跟著地，為了配合身體協(xié)調(diào)，后腳有略微踮腳的動(dòng)作，由此交替。在此過程中，彈簧測力計(jì)的指針便出現(xiàn)一高一低的情況，類似波浪線。

（2）騎車時(shí)

a.過程與現(xiàn)象

將彈簧測力計(jì)用膠布粘在自行車上（盡量使彈簧測力計(jì)垂直于地面），調(diào)零完畢后，推動(dòng)車子來回作勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡盡量保持在一條直線上。在運(yùn)動(dòng)過程中，觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù)變化。向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，中性筆與彈簧測力計(jì)整體向右偏，指針搖擺；向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，中性筆與彈簧測力計(jì)向左偏，指針同樣搖擺。當(dāng)車子停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，相比之前“走路”時(shí)的指針變化幅度小很多，幾乎都在0.1N。

b.猜想

在騎車場景下，彈簧測力計(jì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是變速直線運(yùn)動(dòng)—?jiǎng)蛩僦本€運(yùn)動(dòng)—變速直線運(yùn)動(dòng)。而在走路場景中，身體出現(xiàn)上下起伏、左右輕微晃動(dòng)，很難保持勻速運(yùn)動(dòng)，因而彈簧測力計(jì)的指針擺動(dòng)幅度大且不規(guī)則。而騎車時(shí)的勻速直線運(yùn)動(dòng)使指針擺動(dòng)幅度很小。

（3）乘電梯時(shí)

a.過程與現(xiàn)象

將中性筆掛在彈簧測力計(jì)上，乘坐電梯上升和下降，觀察彈簧測力計(jì)的示數(shù)變化，用相機(jī)記錄。

在下降過程中，電梯啟動(dòng)后，指針漸漸上升至0.08N，待電梯作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，指針基本穩(wěn)定在0.1N的位置。電梯逐漸停止時(shí)，指針向上移動(dòng)，變?yōu)?.12N，停穩(wěn)后，指針回到0.1N。

在上升過程中，電梯啟動(dòng)后，指針漸漸下降至0.12N處。電梯作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，指針基本穩(wěn)定在0.1N的位置。電梯逐漸停止時(shí)，指針向上移動(dòng)至0.08N，停穩(wěn)后，指針回到0.1N。

b.猜想

電梯下降時(shí)，逐漸向下加速運(yùn)動(dòng)，給了電梯一個(gè)向下的加速度，彈簧測力計(jì)的拉力小于中性筆的重力，此時(shí)電梯里的中性筆處于失重狀態(tài)，指針向上移至0.08N。電梯速度逐漸穩(wěn)定、作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測力計(jì)的拉力與中性筆所受重力平衡，此時(shí)彈簧測力計(jì)示數(shù)回到0.1N。當(dāng)電梯快要停止時(shí)，速度減緩，給電梯一個(gè)向上的加速度。此時(shí)彈簧測力計(jì)的拉力大于中性筆的重力，所以處于超重狀態(tài)，指針下移至0.12N。待電梯穩(wěn)定后，指針回到0.1N處。

電梯上升時(shí)，剛開始是向上的加速運(yùn)動(dòng)，彈簧測力計(jì)的拉力大于中性筆的重力，處于超重狀態(tài)，指針向下移動(dòng)至0.12N。當(dāng)電梯作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測力計(jì)的拉力與中性筆的重力平衡，故指針回到0.1N處。電梯快要停下時(shí)速度變緩，此時(shí)有一個(gè)向下的加速度，彈簧測力計(jì)的拉力小于中性筆的重力，處于失重狀態(tài)，所以指針向上移動(dòng)至0.08N。停穩(wěn)后處于靜止?fàn)顟B(tài)，指針回到0.1N處。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)彈簧測力計(jì)使用規(guī)范，器材穩(wěn)定，處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)才是所掛物體的重力。當(dāng)處于加、減速，轉(zhuǎn)彎、振動(dòng)狀態(tài)時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)所表現(xiàn)出的物體的受力情況是超重或失重。超重時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)大于原示數(shù)；失重時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)小于原示數(shù)。