自制超失重演示器在物理实验教学中的应用

王秀兰

《超重与失重》是现行山东版高中物理课标（必修1）的第六章第4节的教学内容，讲述本节课文先通过一个小实验，让学生观察超重现象的特征.然后对研究对象进行受力分析和运动情况分析，再运用牛顿定律找出超重现象的规律.接着课文以类比的方式，运用牛顿定律研究升降机中人的失重现象，并导出规律.然而本节的“迷你实验室”旨在帮助学生获得有关超重现象的一些感性认识.由于学生日常生活中，不经常有机会直接观察和体会超重和失重现象，所以笔者特地自制了“超失重演示器”这一教具，这样学生都能亲身体验和感受做实验，同时引导学生认真观察实验的变化过程，这对学生能更好地理解和掌握超重和失重现象的规律会有所帮助.下面就该教具的具体制作和使用介绍如下.

整个教具装置见图1.

一、教具用途

1.该教具可演示说明物体的超重和失重现象，同时可了解物体产生超重和失重现象的条件.

2.该教具可演示说明磁体间存在着“同名磁极相斥、异名磁极相吸”的物理现象，并运用这一物理现象来说明磁悬浮列车的原理.

二、制作材料

直径为5 cm的环形磁铁两块（环形磁铁可从废旧电动式喇叭中拆取）；直径为1.5 cm长度约为1 m的白色塑料空芯套管一段；直径为2.0 cm长度约为5 cm的白色塑料空芯套管一段；直径为1.5 cm的白色塑料直角接头4只；红色和桔黄色的即贴纸各一小张；塑料薄膜袋1只.

三、制作方法

1.拆取环形磁铁.首先将两只废旧电动式喇叭拆解，分别取下其中的环形磁铁，然后根据环形磁铁的厚度，裁取红色和桔黄色的即贴纸纸条分别贴在磁环上，便于提高演示的可视度.

2.用钢锯将直径为1.5 cm长度约为1 m的白色塑料空芯套管分别锯成长为18 cm和8 cm各两段.然后将这4段白色塑料空芯套管和4只直径为1.5 cm的白色塑料直角接头，拼接成一个长方形状的框架，并将两只环形磁铁套入其中，详见（图2）所示（为了使白色塑料空芯套管与白色塑料直角接头处不易松脱，拼接时最好在每段白色塑料空芯套管的两端分别缠绕些塑料薄膜，使其稍紧些套入白色塑料直角接口）.

四、使用方法

1.演示物体先超重后失重现象

首先用手提起超失重演示器，同时将套挂在演示器中的两只环形磁铁分开，分别移挂在演示器挂杆左右两侧所标注的磁环定位刻度处（此时两环形磁铁的相对磁极处于异名磁极），如图3所示.若突然将演示器竖直向上加速提升，初始阶段，演示器从静止开始突然竖直向上加速运动，两只环形磁铁对挂杆的压力大于其所受重力，这时两只环形磁铁处于超重状态.由f=μΝ得知，当压力大时，两只环形磁铁与挂杆间的最大静摩擦力就大.由于它们之间的最大静摩擦力大于两只环形磁铁间的相互吸引力，因此两只环形磁铁仍处在初始位置；然而当演示器继续提升到某一高度，在此阶段演示器是一种减速运动状态，两只环形磁铁对挂杆的压力小于其所受重力，这时两只环形磁铁处于失重状态.由f=μΝ得知：当压力小时，两只环形磁铁与挂杆间的最大静摩擦力就小.由于它们之间的最大静摩擦力小于两只环形磁铁间的相互吸引力，因此两只环形磁铁分别迅速向演示器挂杆中间滑动而吸合在一起.由此得知：演示器从静止开始突然竖直向上加速提升的整个过程中，套挂在演示器挂杆中的两只环形磁铁在初始阶段是处于超重状态，而在后续阶段是处于失重状态.

2.演示物体的失重现象

用手提起超失重演示器，先把套挂在演示器挂杆中的两只环形磁铁仍移至实验前位置，若这时突然将演示器竖直向下加速运动，两只环形磁铁对挂杆的压力小于其所受重力，这时两只环形磁铁处于失重状态.由f=μΝ得知：当压力小时，两只环形磁铁与挂杆间的最大静摩擦力就小.由于它们之间的最大静摩擦力小于两只环形磁铁间的相互吸引力，因此两只环形磁铁分别迅速向演示器挂杆中间滑动而吸合在一起.

3.演示磁体间存在“异名磁极相吸、同名磁极相斥”的物理现象

用手提起演示器，先把套挂在演示器挂杆中的两只环形磁铁移至实验前位置，见（图3）所示（两只环形磁铁的磁极处于异名磁极）.演示时，用手将其中一只环形磁铁向另一只环形磁铁方向移靠，由于磁体间的相互作用力，两只环形磁铁还没接触时，它们已经吸合在一起了.从而说明磁体间存在着“异名磁极相吸” 的物理现象.

接着按演示器挂杆上所标注的箭头方向拆卸，将演示器的一条边框取下，同时把两只环形磁铁取出，把事先准备的一段直径为2.0 cm长度约为5 cm的白色塑料空芯套管先套入挂杆，再将两只环形磁铁的其中一只环形磁铁调换其磁极方向一同套入挂杆（两只环形磁铁的磁极处于同名磁极），重新安上刚取下的边框恢复演示器原状，演示器竖直放置，如图4所示.由于磁体间的相互作用力，这时即可看到两只环形磁铁不但没吸合反而相互排斥分离开.若将其中一只环形磁铁去靠近另一只环形磁铁时，另一只环形磁铁也朝其移动方向远离而去，从而说明磁体间存在“同名磁极相斥” 的物理现象.

磁悬浮列车正是利用了磁体间存在的相互作用力这一原理设计.磁悬浮列车是一种靠磁悬力（即利用两个同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间的磁吸力）来推动的列车.由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，运行时不同于其他列车需要接触地面，因此，只受来自空气的阻力.