完全失重与向心力综合演示仪

孙建清

[摘 要] 用自由落体的矿泉水瓶演示完全失重，用“水流星”演示向心力，都存在一些不足。文章介绍的创新装置能同时演示上述两种现象，并且操作方便、效果明显、说服力强。

[关键词] 完全失重 向心力

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674 6058（2016）11 0078

演示“完全失重”实验，大部分教师采用这样的装置：矿泉水瓶下端开个小孔，灌满水，水流从小孔喷出；让瓶子自由下落，水流消失。说明自由下落时，水对瓶壁无压力，水处于完全失重状态。本实验存在以下几个问题：（1）现象不明显。水流细小且无色，学生（特别是后排的学生）看不清；（2）操作不方便，实验时瓶口必须开着，接瓶时从小孔和瓶口洒出的水易弄湿地面和实验者；（3）学生有质疑，有的学生认为，下落时水仍会从小孔流出，只不过流速（相对于瓶子）变小，才看不到水流“喷出”，故这个现象不能说明水对瓶壁无压力。另外，在向心力教学中，看了“水流星”演示实验之后，学生仍然存有疑问。他们用惯性来解释最高点时碗里的水没流下来的原因是：水和盆子一起通过最高点的时间很短，由于惯性，水来不及流下来就“荡”过去了，因此，该实验不能说明最高点时水对盆子有压力。为了解决上述问题，笔者精心设计制作了一个装置，既能演示完全失重，也能进行向心力的定性演示，操作方便，效果明显，说服力强。现介绍如下。

一、实验原理

如图1所示：将装满沙子的铁盒放在钉有两枚铁钉的木块上，静止时铁盒对木块有压力，铁盒与两铁钉的钉帽接触良好，电路导通，小电珠发光；自由下落时，整个装置完全失重，铁盒与木块间无压力，电路不导通，小电珠熄灭。因此，小电珠的发光与否间接地反映了铁盒与木块间有没有压力，进而判断铁盒是否处于完全失重状态。

二、仪器制作

1.材料准备

直径7cm铁盒一个（可用“喉爽”盒子，用砂纸磨去下表面油漆，盒子内装细沙），直径8.5cm、高3cm的圆柱形木块一个，长4cm的铁钉两枚，5号电池两只，电池盒一只，小电珠一只，细导线若干，螺丝三只，直径9cm的透明塑料瓶一个（可用大可乐瓶，去掉瓶子上半部非圆柱形部分），细线若干。

2.制作过程

（1）在木块中点两侧，距中点约2cm处，对称地钉两枚4cm长铁钉，要求钉穿木块，钉帽略高于木块上表面；

（2）铁钉下端焊接两根细导线，按图1连接好电路，电池固定在该木块下表面，小电珠悬在空中；

（3）将此木块放进瓶子下半部，从侧面等间距地给木块拧上三个螺丝，把木块和瓶子紧固在一起；

（4）用加热的细铁丝在可乐瓶上端等间距地穿三个小孔，小孔边缘要光滑；

（5）用三根等长的细绳（约30cm）分别穿过三个小孔并打结，再把三根绳的上端结在一起，结点上再连一根长约1m的细绳；

（6）将铁盒放入瓶子即可开始演示，实物装置如图2所示。

三、仪器使用

1.演示完全失重：把铁盒放入瓶内，静止时，小电珠亮，说明铁盒对木块有压力；一手抓住绳子，另一手将瓶子举高再释放，可以看到，自由下落过程中，小电珠不发光；一手抓住绳子，另一手将瓶子分别上抛、下抛、斜抛，可以看到，瓶子抛出后到绳子绷紧前这段时间内，小电珠均不发光。

2.演示竖直面内做圆周运动的向心力：抓住绳子上端，让瓶子以较快的速度在竖直面内做圆周运动，可以看到，整个过程中，小电珠始终发光。这说明铁盒对木块始终有压力，最高点也不例外。在最高点，铁盒有向外飞的趋势，紧紧地挤压木块，所以电路仍然导通！

本装置中，若给小电珠再并联一个小喇叭（贺卡上的音乐片），则电路导通时，既可看到灯光，又可听到声音，效果更加明显。该仪器取材方便，制作简单，效果明显，说服力强，实验过程干净卫生！实验完毕，取出铁盒即可。

[ 参 考 文 献 ]

郭卫东.低成本物理实验的巧妙设计与应用[J].物理教学探讨，2012（7）：1.

（责任编辑 易志毅）