超重失重演示测力计制作*

周汉东

(江苏省梁丰高级中学 江苏 苏州 215600)

用测力计演示超重、失重是最简单直观的方法，但实际操作时会遇到以下问题：因为手持测力计做变速运动时，学生很难准确及时观察到指针位置的实时变化[1]，特别是自由下落和抛体运动过程中，学生根本来不及观察到指针归零(即完全失重)的现象.

针对这个问题，笔者设计了一款测力计，采用了“红、蓝、绿、黄”共4种颜色的LED灯，学生通过观察发光颜色的变化，就能准确实时地观察到“完全失重、失重、平衡、超重”共4种运动状态.

1 教具外观及原理

图1为教具实物外观，图2为教具原理示意图.

图1 教具外观

图2中的阴影部分就是粘贴在夹板上的铜箔胶带，导电指针压在铜箔胶带上，4个LED灯直接焊接在胶带上，电池、开关、铜箔胶带、导电指针、LED发光管共同组成了闭合电路.

悬挂200 g砝码时，导电指针稳定在2 N附近的铜箔上，此时绿灯接入闭合电路而发出绿光，表明处于平衡状态.

如果测力计处于超重状态，则导电指针会滑动到大于2 N的铜箔区域，则黄灯被接入闭合电路从而发出黄光.

如果测力计处于失重状态(a

如果测力计处于完全失重状态，则导电指针会滑动到零刻度线附近的铜箔区域，则红灯被接入闭合电路从而发出红光.

人眼对不同颜色的光非常敏感，所以当测力计做快速运动时(尤其是自由下落和抛体运动)，虽然学生无法准确观察到指针位置，但可以通过观察到的发光颜色来确定运动状态.

2 教具制作

2.1 制作主板

参考图1，测力计主板采3 mm厚的美工夹板，可用激光切割机进行切割和开孔加工，具体尺寸可参考实验室内的J2144(5 N)演示测力计.拆解一个网购的J2144演示测力计，把弹簧挂钩组件拆出来，再安装到美工夹板上.为了确保拉杆不会偏离滑槽，可切割一段水笔外壳获取塑料管，让拉杆穿过塑料套管，再用热熔胶把套管固定在木板上[2].刻度线、刻度、相关文字，可用激光雕刻或者手绘实现.

2.2 粘贴铜箔胶带

在区域a处粘贴一条较长的铜箔胶带，并延伸到圆片电池正极附近.

在区域b的零刻度处，粘贴一小段长度为1 cm的铜箔胶带；在0.2～1.8 N范围内粘贴一段较长的铜箔胶带；在2 N处粘贴一小段长度为1 cm的铜箔胶带；在2.2～5 N范围内粘贴一段较长的铜箔胶带.在区域c处粘贴一条较长的铜箔胶带，并延伸到开关附近.

2.3 制作导电指针

在弹簧下端的直杆上，固定一段用粗铜线制作的导电指针，其长度要确保指针左右两端刚好能接触到刻度盘两侧的铜箔胶带.让导电指针适当弯曲，确保有一定的压力和铜箔接触.对指针两端打磨并在铜箔上抹少量润滑油，确保指针在铜箔上滑动阻力较小.

2.4 焊接电池 开关 LED灯

先用热熔胶把一个按键开关固定在主板图示位置，再把一个带引脚的3 V圆片锂电池(型号为CR2032)的正负极引脚，分别焊接铜箔和开关上.最后在图示位置把4个颜色的LED灯的两脚分别焊接在对应的铜箔上.

3 教具使用

手提测力计上端，下端挂钩上放置一个200 g钩码，当测力计静止或者匀速直线运动时，导电指针处于2 N 刻度附近，此时学生可观察到绿灯亮，表明钩码处于平衡状态.

手提悬挂200 g钩码的测力计，当由静止状态突然向上运动，或者向下匀速运动过程中突然减速，导电指针处于2 N以下位置，此时学生可观察到黄灯亮，表明钩码处于超重状态.

手提悬挂200 g钩码的测力计，当由静止状态突然向下运动，或者向上匀速运动过程中突然减速，导电指针处于2 N以上位置，此时学生可观察到蓝灯亮，表明钩码处于失重状态.

手提悬挂200 g钩码的测力计，当松手让其自由下落，或者以较小的初速度抛出，导电指针处于零刻度线位置，此时学生可观察到红灯亮，表明钩码处于完全失重状态.