超重失重“液体压强演示装置”的改进

贾闯 彭朝阳

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

高中物理超重失重演示实验的设计思路大体有两种：一是直接读取物体视重的大小(下称“直接读数”)，二是间接将物体视重转换为某种物理现象(下称“现象转换”)[1].

直接读数具有指向概念、操作简单和可重复性强等特点，较为适合基础薄弱、逻辑能力偏差的学生.然而，超重和失重是物体运动过程的状态，“由于测力计随物体一起快速移动，学生观察时视线很难跟上，就是演示者观察也比较困难[2].而现象转换的设计补足了这一缺陷，常见的有“液体压强计演示装置”“重物组演示装置”“磁力演示装置”等.现象转换的实验设计使得学生的学习过程不再只停留于“物理概念”本身，还体现了“科学思维”和“实验探究”[3]等物理学科核心素养.

由于学生在初中已经接触到了液体压强计，且初步学习了其工作原理，加之液体压强计演示实验的现象较为明显.因此，本文将以液体压强计作为实验设计基础，主要从“装置设计”和“实验演示”两个阶段，对传统的“液体压强计演示装置”进行改进.

1 设计背景

常见的“液体压强计演示装置”如图1所示，主要由一个支架、滑轮组以及液体压强计组成.该演示装置主要通过手动改变滑轮组右侧钩码的数量实现重力差，进而演示物体的超重和失重状态.然而这一演示过程仅能实现“向上加速”和“向下加速”两种运动情况，“向上减速”和“向下减速”则无法直接呈现.这样一来，学生的学习过程很容易产生困惑，甚至于会形成“向上运动物体超重”“向下运动物体失重”等错误的认知.

图1 常见液体压强计超重失重演示装置

2 实验改进

2.1 制作材料

高度为1.2 m的支架,微小压强计1个,气球1个,轻质定滑轮2个,30 cm×30 cm减震软垫1块,塑料袋2个,铁球1个,小钢珠、橡皮泥和轻绳若干.

2.2 实验组装

超重失重演示实验改进装置如图2所示，将支架立于水平桌面上，支架顶部对称安装两个定滑轮，用细线穿过定滑轮，细线两端分别悬挂“配重钢珠袋”和超重失重“演示装置”.演示装置与装有适量有色溶液的“微小压强计”接通.

“演示装置c”是由一个罩有气球膜的托盘和一个粘有橡皮泥的铁球组成，橡皮泥用于配重调平微小压强计液面，同时可防止铁球滚动影响实验效果(详见图2).演示装置与微小压强计接通，对橡皮管上部做固定处理以防止弯折后气流不畅，影响实验效果.整个装置水平悬挂于定滑轮左端细线尾部，并悬空于桌子外侧.

图2 超重失重液体压强演示装置图

“配重钢珠袋”悬挂于定滑轮右端细线上，由a,b两个钢珠袋组成，钢珠袋a悬挂于轻绳上半部，钢珠袋b悬挂于轻绳末端.两个钢珠袋内分别装有若干钢珠，其质量关系满足

ma

实验器材组装后的实物图如图3所示.

图3 超重失重液体压强演示装置实物图

2.3 实验操作

该实验通过“微小压强计”左右液面的高度变化来演示超重和失重现象.实验开始前，“演示装置”悬空，在演示装置内小铁球重力的作用下，已连接好的微小压强计液面会出现高度差.此时，拔下橡皮管排出内部压缩气体，适当捏瘪橡皮管后再连接液体压强计，可适度增减铁球上的橡皮泥进行微调，使左右液面处于同一高度(即调平).右侧两个“配重钢珠袋”完全悬空，轻绳处于绷紧状态，“配重钢珠袋”的有效质量为右侧两个钢珠袋质量的代数和.

此时“配重钢珠袋”有效质量略大于“演示装置”质量，释放右侧钢珠袋，“演示装置”向上做加速运动.当右侧轻绳下所悬挂的钢珠袋b接触桌面的减震软垫并停止运动时，“配重钢珠袋”的有效质量减小为钢珠袋a的质量，有效质量小于“演示装置”质量，在一定时间内，“演示装置”向上做减速运动.

当“演示装置”向上做减速运动且速度为零时，用手控制住钢珠袋，使整个装置停止运动，此时“配重钢珠袋”的有效质量小于“演示装置”质量，释放钢珠袋后“演示装置”向下做加速运动.当演示装置下降至右侧悬挂钢珠袋b的轻绳处于紧绷状态后，“配重钢珠袋”的有效质量增加为两个钢珠袋质量的总和，且大于左侧装置的质量，此后一定时间内“演示装置”向下做减速运动.

需注意：这里所提到的“配重钢珠袋的有效质量”即穿过定滑轮，通过轻绳传递后真正作用于左侧演示装置的钢珠袋的质量.

3 实验分析

以“演示装置”中的小铁球为研究对象，它受到两个力：自身重力G和气球膜对小铁球的支持力.实验过程中共有4种运动情况，如图4所示分别为：向上加速、向上减速、向下加速、向下减速.

图4 演示装置内小铁球的4种运动情况

在实际操作中，当演示装置发生如上4种运动时，微小压强计液面高度一般会处于变化的过程，分别取变化过程中液面位置的一个暂态作为参考，详见图5所示.

图5 液体压强计的液面高度暂态

列出演示装置在这4种运动中，其加速度方向、小铁球的重力G和气球膜对小铁球的支持力N的关系、液体压强计“液面高度情况”、演示装置状态分析的对比关系如表1所示.

表1 演示装置超重失重状态分析

4 设计评价

物理演示实验要以学生为主体，以培养学生自主学习和探究学习为目的[4].考虑到学生容易将超重失重状态和物体的运动方向相混淆的症结，通过配重钢珠袋的设计，有条理地演示了物体的4个运动过程.实验材料简单易得，可重复性较强，学生亦可在课余时间进行兴趣实验，重在培养学生物理学习的实验素养.不足的是，在演示“向下减速”和“向上减速”时，如左右两侧质量相差较大，减速过程的持续时间可能较为短暂，微小压强计的液面变化不明显，不利于实验观察.在实验操作过程中，学生可通过对定滑轮两侧的质量配重作适宜的调试来解决此问题.