利用手机实现失重实验演示

邹愉 魏婉荣 罗立

摘要：中学阶段对失重环境下力学问题的教学往往限于利用牛顿定律进行受力分析，抽象且枯燥[1]，学生很难理解和体会。本文提出的基于自由落体运动和智能手机的失重实验平台设计方案，可将常见的力学模型在失重状态下的运动状态，通过手机无线投影直观地展示出来，并可进行实时共享和精确分析。这种以实验探究为基础并结合现代技术的物理实验平台设计理念，可以供同行借鉴和参考。

关键词：失重，自由落体，平台设计

一、引言

超重与失重是高中力学教中对牛顿运动定律的具体应用，也是宇宙开发中面临的重要内容。教材[2]在课后“发展空间”引导学生通过受力分析描述完全失重状态下的天平测质量、物体是否受浮力，水银气压计测气压等情景。这些情境如果没有实验演示会十分抽象[3]，对学生理解分析能力有较高要求，加大了学习难度。2013年6月20日中国航天员在天宫1号中面向中小学生开展太空授课，首次让学生观察到了在完全失重环境下物体运动的特点，极大的激发了学生的学习兴趣，如图1所示的单摆模型。但是，以航天器作为失重实验平台，对日常教学演示来讲显然是不现实的。针对这个问题，我们设计了一个成本低廉，使用方便且可实时演示的失重实验平台，可实时直观向学生演示失重、超重条件下，常见力学模型的运动情况。

二、设计原理和思路

把系有彈性绳的物体在某一高度静止释放，到下落至最低点，物体的运动情况分析如下。若将该物体替换成一个封闭的空间，例如一个箱子。则该箱子即为失重平台。我们可以将单摆、天平等力学模型放置在箱子里，在箱壁上固连一智能手机，结合Airplay功能，把视频显示在大屏幕电视上或网络共享[4-5]，就可实时观察分析这些力学模型在完全失重、失重、超重下的运动状态。

三、结构设计

该实验平台主要由支架、实验箱、控制系统和物理模型盒四部分构成。

支架包含底座和带有刻度可伸缩的竖直支架，可调节平台的高度;在竖直支架顶端的水平支架中间有一挂钩，四角设有电磁铁。

实验箱顶部中间拴有弹性绳，弹性绳另一头可悬挂于水平支架的挂钩上;顶部四角设有与电磁铁位置对应的铁片。实验箱侧壁设有摄像头和用于放置手机的手机卡槽;卡槽两侧均设有活动卡片和压缩弹簧以组成夹持结构，能防止实验过程中手机滑出。实验箱底部设有四个卡槽，用于固定物理模型盒。

控制系统位于支架底座内，包含视频处理系统和电磁铁控制系统。

物理模型盒是由透明材料制成的六面半封闭小盒，有单摆、天平、沙漏、浮块四种物理模型，还可以根据教学需要设计其他物理模型。

四、使用说明

1、选择一种物理模型盒固定在实验箱的底板上;

2、调节竖直支架到合适的高度，将牵引绳细绳端拴在挂钩上，弹簧端与实验箱3固定;

3、通过电磁铁，将实验箱吸附于水平支架上;打开视频使摄像头，或放置手机准备录制视屏;

4、断开电磁铁开关，实验箱自由下落;

5、可多次实验，对实验视屏回看慢放分析。

五、 以失重状态下的单摆模型为例的实验教学设计[6]

六、拓展及小结

基于同样的原理和实验方式，为使实验效果明显，本实验平台还可以应用于高度更高的平台，在实验盒中安装一个具备高速摄像功能的手机，摄像机开关可以通过重力感应器控制，箱子上端系一橡皮筋组成的系统，柔绳另一端固定在天花板或者楼顶上。把实验器材放入实验箱内，松开实验箱，手机内置重力感应器（定时器）打开摄像机开始录像，用于观察实验器材在完全失重下的运动状态