失重演示实验的改进

李艳茹 张皓晶 张瑛 张雄

摘 要：提供一个自制的失重现象演示装置，延長了物体产生失重现象的时间， 自制的演示装置简单、直观、可靠并且成本低廉。应用在高中物理教学中，较好地解决了失重问题的引入，教学实践表明在贫困农村中学物理教学中效果较好。

关键词：超重和失重；自由下落；浮力的作用；水和瓶子

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）5-0057-2

1 引 言

失重现象是人教版高中物理必修一第四章第七节的内容，课本中介绍了人站在体重计上，下蹲、起立体重计的示数会发生变化，用这一现象，来帮助学生进一步理解超重和失重[1]，但由于体重计示数变化的时间极短，失重现象对于学生来说仍然过于抽象。刘治宏、田胜安在《失重超重演示仪的制作》一文中也提到教科书上的这一方法存在一定的局限，譬如不利于在课堂上演示，难以让学生身临其境[2]。P.W.Kwok在教学研究中提出了一个新的关于失重现象的演示实验[3]，在演示实验中，作者把物体产生失重现象的时间延长，让学生可以清楚地看到物体的失重现象。

2 实验装置和步骤

（1）找一个常见的笔帽，把笔帽开的一端用防水胶密封起来，且往笔帽上插入三枚回形针，笔帽通过加了防水胶和回形针（以下统称笔帽）之后，可以直立地浮在水面上或者是缓慢地在水里下落（笔帽在装有水的瓶子中下落时受力分析如图1所示）；（2）当笔帽从装有水的瓶子的顶部释放的时候，笔帽将缓慢地从瓶子顶部开始往底部下落。当笔帽下降到瓶子高度一半的时候，释放瓶子，让其自由下落[3]；（3）观察此时的实验现象。在笔帽随瓶子自由下落的过程中，笔帽似乎冻结在了瓶子的中部，停止向瓶子底部运动。

3 实验原理分析

人教版高中物理（必修1）中对失重现象是这样定义的：物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）小于物体所受的重力的情况称为失重现象[4]。在本实验中，当笔帽随瓶子自由下落时，笔帽和瓶子相对地面加速下降，笔帽处于失重状态，又因为小球失重前受到自身的重力以及水的浮力的作用，失重后笔帽只受水的浮力作用，且失重前笔帽相对于地面的速度不为0。因此，当笔帽随瓶子自由下落的过程中，由于时间极短，笔帽静止在瓶子中部，相对于瓶子静止，不再向瓶子底部移动。

（1）在这个演示实验中如果笔帽在下落过程中不受到水的浮力的作用，笔帽将在极短的时间内落到瓶底，学生将不能在本实验中清楚地看到失重现象。因此，本实验延长了笔帽产生失重现象的时间。

（2）由于本实验在步骤中往笔帽里加防水胶和回形针，可以方便地调节好笔帽的重量并且控制它在水中下落的速度。

（3）当做完一次实验，笔帽沉在了水底，这时需要把瓶子里的水倒空，取出笔帽，再次把水倒入瓶中，进行第二次实验。为了避免麻烦，我们在实验过程中往笔帽上插入了三枚回形针，然后用磁铁把插有回形针和防水胶的笔帽从瓶子的底部吸引上来，提高了实验的可操作性。

4 实验可以改进的地方

由于在做本实验时需要把装有水和笔帽的瓶子从3 m高的地方释放，且下落时间为0.6～0.7 s，这个时间足够学生捕捉下来，清楚地看到笔帽的失重现象。但仍然有可以改进的地方，例如：（1）笔帽可以直接改成直径2 cm的深色塑料球，避免塞防水胶和回形针的时间，从而提高了实验效率；（2）可以把实验中的水换成透明的洗洁剂，增大物体在下落过程中受到的阻力，再次延长下落物体产生失重现象的时间；（3）用记号笔在瓶子上画好刻度（如图2所示）或粘一条直角坐标纸在瓶子上做位置的标定，明确瓶子中部的具体位置，这样不仅可以让失重现象更加直观，而且增加了实验的科学性，培养学生严谨的思维习惯；（4）把重复几次实验的过程改为录视频的过程，把录好的视频复制在教室多媒体设备上，这样可以在任意时间暂停、回放，保证每一位学生都看到明显的失重现象。

5 小 结

本实验所需器材均简单易得，实验现象明显，通过改进之后，不仅节约了时间，而且提高了课堂教学效率，把失重现象更加清晰地展现给每一位学生，激发了学生学习的热情。另外，实验中增加了用移动设备录视频的实验步骤，调动了学生学习的积极性，达到了事半功倍的效果，真正体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。

参考文献：

[1]物理课程教材研发中心.物理1必修[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]刘治宏，田胜安.超重失重演示仪的制作[J].物理教学探讨，2013，31（4）：54，56.

[3]PING WAI KWORK.A simple demonstration to visualize weightlessness July 2010 Phys.Educ.45 19.

[4]张大昌.普通高中课程标准实验教科书 物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2011.