基于替代法的“超重与失重”创新实验设计

陕西 董晨硕

创新实验设计，落实核心素养。

创新的物理实验设计具有独创性，在取材上简单易行、实验用具更加生活化和有新意、实验过程能释疑解惑，不仅能解释相关的物理现象，而且使物理学习过程更加丰富多彩。同时，通过培养学生的科学思维、推理能力、探究素养，体现“猜想与假设”的科学精神，使学生在创新实验活动中设计实验探究方案和获取证据，进一步促使物理学科核心素养的落实。

“超重与失重”是高中物理必修一(人教版)最后一节的内容，它作为一种生活中的物理现象，涉及对牛顿定律的应用，同时也与航天科技前沿有密切联系。所以，通过实验探究超重和失重物理现象的发生原因，是学习本知识点的关键所在。

一、传统实验方案

教材中设计的实验案例为人站在体重计上改变运动状态观察示数变化，有两种设计方案。第一种方案，在弹簧测力计的下端悬挂一个重物，首先让重物保持平衡状态，即保持物体静止或者匀速运动(各个方向)，观察测力计示数，此时的读数大小等于物体重力；其次，让挂着重物的测力计做竖直向上的加速运动并观察测力计示数，可发现大于静止时的示数，即物体处于超重状态，反之则为失重状态。第二种方案，将体重计放置在电梯中，人站在体重计上，记录体重计在电梯不同运动状态时的示数(平衡状态、变速运动)。两种方案的实验原理都是通过记录加速上升、匀速上升的测力计最大读数，以及物体减速上升过程中测力计最小读数来进行判断。

1.教材实验的优点

(1)实验器材简单，操作步骤容易；

(2)学生可以亲自体验，提高动手能力；

(3)强化了人对物体的作用力，能直接通过体重计观察人与支持物之间的作用力的变化；

(4)与生活实际联系紧密。

2.教材实验存在的不足

(1)体重计示数稳定需要一定的时间，效果不佳，导致示数与运动状态不对应，容易让学生产生误解；

(2)不能同步演示超重和失重；

(3)体重计在实际生活中用来称量体重，人在体重计起立或下蹲，会引起示数变化，可能导致学生认为体重发生了变化，不易理解实验现象本质；

(4)不易控制加速度的大小，超重失重过程十分短暂，学生不易观察读数。

二、创新实验方案

“超重与失重”实验的创新设计方案主要依据替代法原理，将体现主题的关键因素但又不易观察到的因素进行“强化”，把物体间的相互作用力的变化显示出来。一方面，在弹簧拉伸效应下，物体对支持物的压力或对悬挂物的拉力的改变比较明显，容易被观察到，使该实验便于演示操作。另一方面，该实验要突出严谨性和科学性，用电子测力仪可以显示物体对支持物的压力和拉力变化，使该实验便于量化观测。

1.实验材料

塑料管、两根弹簧、金属圆柱体、电阻片、电子测力仪。

2.实验准备

如图1所示，A、B各为一端封闭的塑料管，将其竖直放置。首先，把一根直径小于塑料管直径的弹簧一端用胶水固定在A管的底部，金属圆柱体物块固定在弹簧上端，用以保证当系统静止时，圆柱体的上表面能与管的上截面相切。根据二力平衡可知，此时圆柱体对弹簧的压力等于自身的重力。其次，将一根直径小于塑料管直径的弹簧一端固定在B管的顶部，将一圆柱形物块固定在弹簧下端，确保当系统静止时，金属圆柱体的下表面与管的下截面相切，此时圆柱体对弹簧的拉力等于自身的重力。最后，将A管的底部和B管的顶部固定在一起，把电阻片装置在两管的内壁，并在金属圆柱体和电阻片固定端之间装置测力仪。

图1 “超重与失重”实验原理示意图

3.实验原理

物体运动状态不同，弹簧受到的作用力不同。超重时，物体对弹簧的作用力大于自身的重力，位于A圆柱体的弹簧被压缩，位于B圆柱体的弹簧被拉伸。同样的原理，失重时，物体对弹簧的拉力小于自身的重力，位于上方的弹簧被拉伸，位于下方的弹簧被压缩。根据记录到的测力仪读数，与原物体的自身重量进行对比，判断超重或失重。

4.实验步骤

(1)超重现象。用手握住塑料管使其在竖直方向上做加速上升或者减速下降的运动，可观察到位于下方的圆柱体露出管外，而看不到位于上方的圆柱体。此时，下方圆柱体对弹簧的拉力大于自身的重力，物体处于超重状态，物体加速度越大露在塑料管外的圆柱体就越多，当加速度达到一定值时可以看到弹簧，加速度越大弹簧拉伸程度越大。同时，记录测力仪上的读数。

(2)失重现象。用手握住塑料管使其在竖直方向上做减速上升或者加速下降的运动，可观察到位于上方的圆柱体露出管外，而看不到位于下方的圆柱体。此时，下方圆柱体对弹簧的拉力小于自身的重力，物体处于失重状态。同时，记录测力仪上的读数。

5.实验注意事项

(1)为了避免把两根弹簧视为一根弹簧，可选择不同颜色且较为鲜艳的两根弹簧；

(2)为了增强实验效果，可选择弹性系数更小的弹簧，或者质量较大的金属圆柱体；

(3)为了进一步减小实验误差，可以选用轻质弹簧。

三、结语