自制超重失重教学演示器

摘要：超重失重是牛顿运动定律的应用，亦是理解航空航天知识的理论基础。教学中相关实验器材匮乏，故结合电梯模型制作“超重失重教学演示器”，立意于把直观的实验现象（定性判断）与数字化图像（定量分析）结合起来，由现象认知递进到图像理解，由图像分析反过来验证现象，完成探究过程。

关键词：超重失重；教具；数字化；制作

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1003-6148（2013）11（S）-0054-2

1背景

高中物理教学中，超失重部分缺乏理想的实验或器材。教学中要求从实验现象去认识超失重。常用实验有：弹簧秤悬挂钩码做变速运动时示数变化；在台秤上下蹲或起立时示数变化：塑料瓶底钻孔使水流出，竖直上抛或自由落体时水不流出：纸带悬挂重物突然变速。纸带断开；市面上常见超重失重演示器：利用定滑轮在圆盘测力计两端悬挂重物，使测力计升降获得超失重状态观察示数。

这些实验存在不足：第一。只有定性观察。缺少实验数据的支持，感性认知递进到理性认知存在困难；第二，实验现象不方便观察。如弹簧秤本身需移动，示数变化不易观察：第三，定量数据不准确，教材中超失重定义由牛顿第二定律导出。实验中不能获得加速度与受力变化同步数据，故无法反过来验证理论推导。鉴于此，笔者自制了超重失重演示器，利用传统实验方法与数字化实验手段相结合。实现了定性观察与定量分析相结合，既有直观易见的物理现象，又有准确的实验数据来帮助学生受力分析物理过程。

2原理

通过物体超失重现象控制不同指示灯工作，同时通过DISlab数字化系统同步采集受力与加速度数据。利用四根拉伸弹簧悬挂内置超失重感应模块、电梯运行模拟模块的箱体。在弹簧原长处释放箱体，使箱体做上下往复的阻尼运动。在平衡位置上方，加速度向下，箱体内处于失重状态，在平衡位置下方，加速度向上，箱体内处于超重状态。

超失重感应模块是在内部安装红绿两色发光二极管工作回路的透明塑料盒。两回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的两铜片上，簧片置于两铜片之间。在释放箱体做阻尼运动的过程中，因为超失重现象。悬挂物对簧片拉力改变、簧片有规律地上下振动，接触上下两端的铜片连通回路，使得红绿两灯交替发光来标志超重与失重。因模块本身在运动无法观察，故在运行箱体内安装摄像头，镜头正对簧片位置，将簧片超失重现象呈现在计算机屏幕上。电梯运行模拟模块原理是模拟电梯运行场景，将玩具小人在箱体运动过程中对箱体的压力和加速度变化情况利用传感器采集，同步输出数据并绘制图像，与簧片上下振动的现象对应。帮助学生清晰认知压力与加速度大小方向的关系。这样就实现了从实验现象到数据图像的递进式认知。数据图像亦可反过来验证理论推导。

3制作

（1）材料

超失重感应模块和电梯运行模拟模块需要发光二极管、纽扣电池、发音集成电路、导线、扬声器、双面贴、自制簧片（由铜片制作）、圆盘、玩具小人、力传感器和加速度传感器。运行箱体和支架需要拉伸弹簧、小号塑料整理箱、摄像头、钓鱼线、金属片、PVC塑料管（直径32mm）、PVC管连接头、L型角铁和大号塑料整理箱。另加工过程中紧固部分需要螺丝及螺帽。

（2）工具

电烙铁，电钻，钢锯，锉刀，螺丝刀，钢丝钳，尖嘴钳，砂纸，游标卡尺。

（3）制作过程

将发光二极管、纽扣电池、发音集成电路和扬声器串联成两相同电路。两回路一端共同接在自制簧片上，另一端接在上下放置的两铜片上。将电路元件通过双面贴粘在透明塑料盒的内壁上。将两铜片和簧片一端九十度弯折，在弯折部分钻孔穿螺丝，在塑料盒两边侧壁上各挖一条卡槽，通过螺丝和螺帽将铜片及簧片固定在侧壁上，使得铜片与簧片位置可任意上下调节。在小号塑料整理箱内壁上安装卡扣。把前面制作的超失重感应模块悬挂在其内壁上，即为运行箱体。在运行箱体底部及摄像头底座上钻孔。用螺丝将摄像头固定并正对超失重感应模块。这样就将实验中簧片的超失重现象显示在了屏幕上。

剪出四块三角形金属片，大小与弹簧直径相仿。将其插入弹簧中再弯曲尖端向上形成小盘卡住弹簧，用长螺丝穿过小盘再打孔固定在大号塑料整理箱上盖即可悬挂弹簧。此处采用两颗螺帽设计，便于上下调节高度，控制悬挂的运行箱体平衡。下端悬挂运行箱体部分使弹簧螺旋穿几圈过钻好的略小于弹簧直径的圆孔，另在圆孔旁边钻三个小孔拴钓鱼线固定弹簧。

在力传感器上通过螺丝固定一放置玩具小人的圆盘。将力传感器竖直固定于运行箱体内。将加速度传感器固定于运行箱体侧壁。这里条件允许可采用无线传感器，避免因线材拉扯造成的误差。在悬挂弹簧的长螺丝底部缠绕钓鱼线，且在运行箱体上钻孔使钓鱼线贯穿运行箱体。另一端通过螺丝固定在底座上（自上盖到底座长约2米），解决了箱体运行时侧偏不稳定的问题。且摩擦较小。对实验无影响。

将PVC管切割为16根长50cm的圆管，经打磨后一端与连接头相连。做成类似火炬形状的标准件，可自由插接延长。通过L型角铁将8个连接头固定在大号整理箱上盖及底座对应位置（上下各4个）。使用时，将50cm长圆管相连接，4根为一个支柱。整理箱作为支架的上盖与底座，将支柱插入上盖和底座上固定好的连接头中，即可搭起两米高实验装置。不用教具时，可拆卸支架将所有元件内置于整理箱中，便于携带。

4使用

将运行箱体置于弹簧原长位置释放，并同时按下键盘上数据采集开关（在计算机上利用键盘映射编写宏命令。将DISlab软件操作简化，实现一键开始、回放等功能）。一方面，在运行箱体上下往复运动过程中可观察到在平衡位置上方表示失重的绿灯亮，下方表示超重的红灯亮：另一方面。在屏幕上可对应观察簧片超失重现象和传感器采集的压力与加速度数值图像。在课堂教学中画面可通过投影仪或连接电视机放大观看。超失重现象时间较短。实验完毕后可点回放键将实验过程慢镜头回放或定格观察。

该超失重教学演示器把传统实验方法（定性）与数字化实验手段（定量）结合起来，在教学过程中能够激发学生兴趣，既展示了物理过程。又诠释了物理意义，一体化完成从现象认知到物理意义理解的探究过程。在制作过程中，除传感器外（目前多数中学已配备数字化实验设备）均使用闲置或低成本材料，且因模块化、一体化、轻量化设计的原因，具有良好的推广价值。