用压强计探究超重、失重条件

幸艳花

摘   要：巧妙利用实验室器材进行创新性的设计，在此基础上创新学生分组实验，在物理教学中具有重要的意义。文章利用液体压强计设计学生分组实验来探究超重、失重的产生条件。

关键词：压强计;超重;失重

物理作为一门以实验为基础的学科，探究性实验可以培养学生探索物理规律、发现问题、解决问题的能力。好的探究性实验可以激发学生强烈的探索欲望，从而主动地投入到学习中。

但是在实际的物理教学中，由于场地以及实验设备数量的限制，只能提前录制视频或者做演示实验，这样学生参与度不高，也不能亲身体验物理规律的发现过程。为了让学生更多地参与到物理实验中，可以利用实验室已有的较为常见的器材来创新性地设计分组实验，记录数据并分析现象，这也是物理核心素养的要求。因此，本文利用实验室常见的器材设计学生分组实验，探究超重、失重条件，并用于教学中。

1    教学设计思路

“超重和失重”是牛顿第二定律应用的一个知识点，该内容与实际生活结合紧密。但是，由于生活经验也带来了一些问题：一是学生受前概念影响，认为超重就是重力变大;二是学生不会用牛顿第二定律、牛顿第三定律分析超重与失重的本质，而是死记一些结论，往往错误地认为上升的物体处于超重状态，下落的物体处于失重状态[1]。

因此，教师需要设计实验消除这些错误前概念的影响。但是，传统的电梯实验会受到场地的限制，并且部分学校也没有配备传感器这样的实验装置，使得探究超重、失重条件这一实验的开展较为困难。因此，笔者进行了创新实验设计，本实验不需要具体的数值，只需要分析物体的运动状态以及重力和支持力的大小关系。笔者通过分组实验的方式，引导学生利用实验室的实验器材自主探讨定性实验方案，并在小组内探讨实验方案的可行性，在此基础上不断改进实验，以培养学生的科学思维，让学生经历获得结论的过程。同时，通过实验器材的巧妙利用，可以锻炼学生的创新思维和迁移思维，激发学生的学习热情。

2    教学设计过程

（1）引入

首先，播放一段杨利伟从太空返回后接受记者采访的视频。重点请学生关注这样一段对话。

记者：在“神舟”五号飞船发射和运行过程中，你都干了些什么？感觉怎样？

杨利伟：飞船发射时，感觉超重感比较强，最大时达到5G。船舰分离时，我感到有一种忽然腾空的感觉，这时又进入了失重状态。

通过引导学生关注杨利伟的感觉，让学生回忆并思考平时在乘电梯时是否也有这样的感觉。接着向学生提出问题：这样的物理现象对应有怎样的运动学和力学特征呢？你有何猜想？超重就是重力变大吗？上升的物体就一定处于超重状态吗？如何设计实验来证明呢？

（2）实验设计

为了验证相关猜想，在实验中需要得到物体的运动状态和力的大小关系。

提供如下实验器材：液体压强计和橡胶管（液体压强计薄膜上压力的变化会导致压强变化，从而使U型管液柱两端有高度差），铁架台，钩码，滑轮，矿泉水瓶（制作小盒子放钩码），手机。实验装置如图1。

3    实验过程

（1）按照图1组装实验装置。根据液体压强公式P=ρgh可知，在压强相同的情况下，高度差与液体密度成反比，因此为了使实验现象更加明显，U型管中的液体使用无水乙醇，并加入红墨水，以便观察实验现象。

（2）拿走小盒中的重物，调节压强计两管液面高度差使其相平，绳端挂钩码，使小盒加速上升和减速上升。观察压强计U型管中的液面变化，若看到两管中液面不动，仍然相平，說明运动过程中金属盒上的橡皮膜受到的空气阻力可以忽略不计。

（3）在小盒上放重物，调节两管中液面高度差，使其相平。调节右侧钩码个数，使左侧钩码上升，观察液面高度差，记录现象，分析橡皮膜的压力。

（4）在小盒上放钩码，调节两管中液面高度差，使其相平。调节右侧钩码个数，使左侧钩码下降，观察液面高度差，记录现象，分析橡皮膜的压力。

（5）实验中用摄像机或者手机对实验过程进行慢动作拍摄，然后进行回放，这样实验现象会非常明显，方便学生观察、分析，从而得出结论。实验结论如表1所示。

从表1可以看出，物体的加速度向上，物体处于超重状态;物体的加速度向下，物体处于失重状态。因此，超重、失重状态与物体的速度方向无关，而与物体的加速度方向有关。

4    反  思

本实验原理简单，设计直观，操作简便，器材方便易得，都是中学物理常见的实验器材，并且实验现象明显，特别是将U型管中的液体换作无水乙醇后，液面高度差可达到10 cm;其次，本实验能够锻炼学生的迁移思维——压强计不仅可以测压强，也可以作为间接反映力的工具。本实验在物体上升、下落过程中时间较短，虽然现象明显，但是持续时间较短，因此需要用手机拍摄慢动作视频，通过这样的处理方式调动了学生参与的热情，取得了非常好的实验效果。

综上，物理实验室器材的使用是非常灵活的，平时要训练学生的拓展性思维，可以利用已有的实验器材进行实验设计，这样不仅能够丰富实验活动，激发学生的学习兴趣，而且有利于学生科学思维的形成。

参考文献：

[1]郭玉英，苏明义.新版课程标准解析与教学指导 高中物理[M].北京：北京师范大学出版社，2018：296.

（栏目编辑    张正严）