超重与失重演示装置的改进（1）||教学实验研究
超重与失重演示装置的改进
亳州市第一中学
摘 要：对原超重失重实验装置进行了改进, 利用蓄电池和小灯泡等简易材料设计了触发电路, 当重物出于失重状态时, 绿灯亮;当重物出于超重状态时, 红灯亮, 同时灯的位置也发生了相对改变, 更明确地演示了超重和失重现象.
关键词：超重; 失重; 演示实验;
超重、失重不是重力的增加或减少, 而是物体对支持物的压力或是对悬挂物的拉力发生了变化, 物体的重力依然存在且大小不变.学生对此的理解学生往往困难较大, 所以笔者借助自制演示仪帮助学生理解超重与失重的本质.
1 实验原理
自制实验仪演示超重与失重现象如图1所示.该实验通过红绿灯的位置演示超重和失重现象 (绿灯固定在弹簧秤的面板上, 而红灯固定在研究对象的重物上) .开始实验前, 红灯与绿灯处于相同高度, 左侧定滑轮下方悬挂适量的钩码.
图1 超重与失重自制简易实验仪
若钩码质量大于右侧定滑轮下方弹簧秤及电路模块的总质量时, 闭合开关, 绿灯亮, 由静止开始释放钩码, 钩码往下做加速运动, 弹簧秤向上做加速运动, 弹簧秤的指针相对刻度面板向下运动, 与指针固定的连接红灯的导线触点与弹簧秤刻度面板左侧3个触点中的最下方的触点相接, 红灯便亮.此时, 可观察到:红灯在下方, 绿灯在上方.
图2 超重与失重自制简易实验仪实物图
减小重物配重, 钩码质量小于右侧物体质量时, 闭合开关, 绿灯亮, 释放钩码, 钩码向上做加速运动, 右侧重物向下做加速运动, 弹簧秤的指针相对刻度面板向上运动, 与指针固定的连接红灯的导线触点与弹簧秤刻度面板左侧3个触点中的最上方的触点相接, 红灯便亮.此时, 容易观察到红灯在上方、绿灯在下方.
通过观察红灯与绿灯位置, 便演示了超重与失重现象, 现象明显且易于观察.
2 实验步骤
1) 调节水平调节螺丝B, 铁架台立柱为垂直.
2) 取适量钩码, 将钩码与弹簧秤-电路模块分别绕过定滑轮悬挂于两端, 红灯与绿灯起初位于相同高度, 手持细线使得整个装置初始处于静止状态.
3) 闭合开关, 点亮绿灯, 松开细线, 钩码向下运动, 重物向上运动, 观察红灯与绿灯的相对位置变化.
4) 钩码与重物下落一段时间后, 握住细线, 让物体停止运动, 断开开关.
5) 减少钩码的个数, 使钩码向上运动, 重物向下运动, 重复上述步骤3) 与4) .
6) 实验结束, 整理实验器材仪.
3 理论分析
由速度和加速度不同方向产生4种组合:向上加速、向上减速、向下加速和向下减速.取重物向上加速运动情况分析.
设重物的质量为m, 以加速度a加速上升.对弹簧秤下重物受力分析如图3所示, 根据牛顿第二定律F-G=ma, 所以F=G+ma.根据牛顿第三定律, 物体对弹簧秤的拉力F′=G+ma>G, 所以, 该现象为超重现象.
图3 分力分析
其余3种情况, 作类似分析, 将结论归纳于表格1中.
表1 物体超重与失重分析
由表格经分析可知, 超重、失重与加速度有关, 与速度无关.当物体具有向上的加速度时, 产生超重现象;但物体具有向下加速度时, 产生失重现象.
4 注意事项
1) 钩码个数选取要适量, 不宜过多或过少.
2) 实验开始前, 红灯与绿灯要处于相同高度.
3) 物体运动过程中, 注意不要使物体撞击地面, 防止实验器材损坏
作者简介：王维 (1980-) , 男, 安徽亳州人, 亳州市第一中学高级教师, 学士, 从事中学物理教育工作.
转载于《物理实验》2017年第3期