超重与失重的数字化实验探究

牛顿运动定律的应用实例之一"超重和失重"（人教版必修I第四章第七节）教学的重难点，不仅仅是明确什么是超重与失重现象，更重要的是通过实验现象的探究和总结，把超重和失重现象与牛顿运动定律联系起来，弄清现象本身和加速度的内在联系。

传统的实验是用体重计或者弹簧秤来观察超重和失重现象，实验过程中，由于测量仪器的示数变化不定，且瞬间即逝，难于观察和探究，实验现象只能说明物体在竖直方向运动时，出现了视重大于或者小于物体重力即超重和失重现象，但还不能很好地解释产生现象的原因。笔者在教学中通常是把这种实验作为一种引入课题的手段，并就此提出超重和失重的概念即"物体对支持物的压力（或悬挂物的拉力）大于物体重力的情况，称为超重现象。物体对支持物的压力（或悬挂物的拉力）小于物体重力的情况，称为失重现象。"

"产生超重和失重的原因究竟是什么？"，针对这一主要问题，笔者尝试用力传感器来完成超重与失重实验，该方法既能适时观察现象，又方便对现象进行理论探究，取得了不错的教学效果。

附图1为自制的超重与失重的数字化实验装置。该装置木质支架高1.50m，宽0. 60m，用两根铜丝竖直地固定在支架上作为小铁盒上下运动的滑道，力传感器固定在小铁盒里，细线通过支架顶端的两个小滑轮牵引铁盒上升和下降，数据采集器固定在支架一侧，通过数据线与电脑相连。实验时把钩码挂在力传感器的挂钩上，力传感器把受力大小转换成电信号，数据采集器把电信号转换成数字信号，计算机对数据进行处理，画出力F随时间t的变化曲线，力随时间的变化就永久记录下来了。根据 F—t图象就可看出物体各时间段的运动情况及对应的视重变化情况。附图2是某次实验中力随时间的变化曲线的视频截图，所使用的钩码质量为200g。

附图1：自制超重与失重的数字化实验装置

附图2：力随时间的变化曲线截图

本图纵轴表示钩码对力传感器挂钩的拉力大小（即视重），横轴表示运动时间。虚线OO'是钩码在静止状态下记录的图线，表明钩码的的重力G大约为2N。A区内图线是钩码在上升阶段的记录结果，B区内图线是钩码在下降阶段的记录结果，视重大于G的部分表示钩码处于超重状态，视重小于G的部分表示钩码处于失重状态。图像清楚地告诉我们，不管钩码是上升还是下降，都能产生超重和失重现象，这说明不能用物体的运动方向来判断超重和失重，为我们下一步的理论探究指明了方向，那就是探究"产生超重和失重的原因"必须用牛顿第二定律的分析方法来分析问题。

钩码超重时，由牛顿第三定律可知，传感器对钩码的向上的拉力F大于钩码的重力G，由牛顿第二定律可知：

F—G=ma

钩码所受合力向上，此时钩码具有向上的加速度（图甲）。

钩码失重时，由牛顿第三定律可知，传感器对钩码的向上的拉力F小于钩码的重力G，由牛顿第二定律可知：

G — F =ma

钩码所受合力向下，此时钩码具有向下的加速度（图乙）。

理论探究统计结果如附表1。

附表1：超重失重理论探究统计表

理论探究的结果表明："产生超重和失重的原因是在竖直方向上存在加速度，加速度方向向上产生超重，加速度方向向下产生失重"。 并由此得出结论：物体处于超重还是失重状态，仅由竖直方向的加速度方向决定，与运动方向无关。

本文所介绍的超重与失重的数字化实验探究方法，抓住了在超重和失重现象中应用牛顿运动定律这个关键点，突破了实验探究和理论探究的难点，特别是该方法合理实用，更有利于学生参与探究，能激发学生对本学科的学习兴趣，是新课程理念的有益体现。笔者设计的本节内容教学流程如附表2，仅供参考。

附表2：教学流程参考