基于替代法的“超重與失重”創新實驗設計

陜西 董晨碩

創新實驗設計，落實核心素養。

創新的物理實驗設計具有獨創性，在取材上簡單易行、實驗用具更加生活化和有新意、實驗過程能釋疑解惑，不僅能解釋相關的物理現象，而且使物理學習過程更加豐富多彩。同時，通過培養學生的科學思維、推理能力、探究素養，體現“猜想與假設”的科學精神，使學生在創新實驗活動中設計實驗探究方案和獲取證據，進一步促使物理學科核心素養的落實。

“超重與失重”是高中物理必修一(人教版)最后一節的內容，它作為一種生活中的物理現象，涉及對牛頓定律的應用，同時也與航天科技前沿有密切聯系。所以，通過實驗探究超重和失重物理現象的發生原因，是學習本知識點的關鍵所在。

一、傳統實驗方案

教材中設計的實驗案例為人站在體重計上改變運動狀態觀察示數變化，有兩種設計方案。第一種方案，在彈簧測力計的下端懸掛一個重物，首先讓重物保持平衡狀態，即保持物體靜止或者勻速運動(各個方向)，觀察測力計示數，此時的讀數大小等于物體重力；其次，讓掛著重物的測力計做豎直向上的加速運動并觀察測力計示數，可發現大于靜止時的示數，即物體處于超重狀態，反之則為失重狀態。第二種方案，將體重計放置在電梯中，人站在體重計上，記錄體重計在電梯不同運動狀態時的示數(平衡狀態、變速運動)。兩種方案的實驗原理都是通過記錄加速上升、勻速上升的測力計最大讀數，以及物體減速上升過程中測力計最小讀數來進行判斷。

1.教材實驗的優點

(1)實驗器材簡單，操作步驟容易；

(2)學生可以親自體驗，提高動手能力；

(3)強化了人對物體的作用力，能直接通過體重計觀察人與支持物之間的作用力的變化；

(4)與生活實際聯系緊密。

2.教材實驗存在的不足

(1)體重計示數穩定需要一定的時間，效果不佳，導致示數與運動狀態不對應，容易讓學生產生誤解；

(2)不能同步演示超重和失重；

(3)體重計在實際生活中用來稱量體重，人在體重計起立或下蹲，會引起示數變化，可能導致學生認為體重發生了變化，不易理解實驗現象本質；

(4)不易控制加速度的大小，超重失重過程十分短暫，學生不易觀察讀數。

二、創新實驗方案

“超重與失重”實驗的創新設計方案主要依據替代法原理，將體現主題的關鍵因素但又不易觀察到的因素進行“強化”，把物體間的相互作用力的變化顯示出來。一方面，在彈簧拉伸效應下，物體對支持物的壓力或對懸掛物的拉力的改變比較明顯，容易被觀察到，使該實驗便于演示操作。另一方面，該實驗要突出嚴謹性和科學性，用電子測力儀可以顯示物體對支持物的壓力和拉力變化，使該實驗便于量化觀測。

1.實驗材料

塑料管、兩根彈簧、金屬圓柱體、電阻片、電子測力儀。

2.實驗準備

如圖1所示，A、B各為一端封閉的塑料管，將其豎直放置。首先，把一根直徑小于塑料管直徑的彈簧一端用膠水固定在A管的底部，金屬圓柱體物塊固定在彈簧上端，用以保證當系統靜止時，圓柱體的上表面能與管的上截面相切。根據二力平衡可知，此時圓柱體對彈簧的壓力等于自身的重力。其次，將一根直徑小于塑料管直徑的彈簧一端固定在B管的頂部，將一圓柱形物塊固定在彈簧下端，確保當系統靜止時，金屬圓柱體的下表面與管的下截面相切，此時圓柱體對彈簧的拉力等于自身的重力。最后，將A管的底部和B管的頂部固定在一起，把電阻片裝置在兩管的內壁，并在金屬圓柱體和電阻片固定端之間裝置測力儀。

圖1 “超重與失重”實驗原理示意圖

3.實驗原理

物體運動狀態不同，彈簧受到的作用力不同。超重時，物體對彈簧的作用力大于自身的重力，位于A圓柱體的彈簧被壓縮，位于B圓柱體的彈簧被拉伸。同樣的原理，失重時，物體對彈簧的拉力小于自身的重力，位于上方的彈簧被拉伸，位于下方的彈簧被壓縮。根據記錄到的測力儀讀數，與原物體的自身重量進行對比，判斷超重或失重。

4.實驗步驟

(1)超重現象。用手握住塑料管使其在豎直方向上做加速上升或者減速下降的運動，可觀察到位于下方的圓柱體露出管外，而看不到位于上方的圓柱體。此時，下方圓柱體對彈簧的拉力大于自身的重力，物體處于超重狀態，物體加速度越大露在塑料管外的圓柱體就越多，當加速度達到一定值時可以看到彈簧，加速度越大彈簧拉伸程度越大。同時，記錄測力儀上的讀數。

(2)失重現象。用手握住塑料管使其在豎直方向上做減速上升或者加速下降的運動，可觀察到位于上方的圓柱體露出管外，而看不到位于下方的圓柱體。此時，下方圓柱體對彈簧的拉力小于自身的重力，物體處于失重狀態。同時，記錄測力儀上的讀數。

5.實驗注意事項

(1)為了避免把兩根彈簧視為一根彈簧，可選擇不同顏色且較為鮮艷的兩根彈簧；

(2)為了增強實驗效果，可選擇彈性系數更小的彈簧，或者質量較大的金屬圓柱體；

(3)為了進一步減小實驗誤差，可以選用輕質彈簧。

三、結語