自制超失重演示器在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王秀蘭

《超重與失重》是現(xiàn)行山東版高中物理課標(biāo)（必修1）的第六章第4節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，講述本節(jié)課文先通過(guò)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察超重現(xiàn)象的特征.然后對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析和運(yùn)動(dòng)情況分析，再運(yùn)用牛頓定律找出超重現(xiàn)象的規(guī)律.接著課文以類(lèi)比的方式，運(yùn)用牛頓定律研究升降機(jī)中人的失重現(xiàn)象，并導(dǎo)出規(guī)律.然而本節(jié)的“迷你實(shí)驗(yàn)室”旨在幫助學(xué)生獲得有關(guān)超重現(xiàn)象的一些感性認(rèn)識(shí).由于學(xué)生日常生活中，不經(jīng)常有機(jī)會(huì)直接觀察和體會(huì)超重和失重現(xiàn)象，所以筆者特地自制了“超失重演示器”這一教具，這樣學(xué)生都能親身體驗(yàn)和感受做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)的變化過(guò)程，這對(duì)學(xué)生能更好地理解和掌握超重和失重現(xiàn)象的規(guī)律會(huì)有所幫助.下面就該教具的具體制作和使用介紹如下.

整個(gè)教具裝置見(jiàn)圖1.

一、教具用途

1.該教具可演示說(shuō)明物體的超重和失重現(xiàn)象，同時(shí)可了解物體產(chǎn)生超重和失重現(xiàn)象的條件.

2.該教具可演示說(shuō)明磁體間存在著“同名磁極相斥、異名磁極相吸”的物理現(xiàn)象，并運(yùn)用這一物理現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明磁懸浮列車(chē)的原理.

二、制作材料

直徑為5 cm的環(huán)形磁鐵兩塊（環(huán)形磁鐵可從廢舊電動(dòng)式喇叭中拆?。恢睆綖?.5 cm長(zhǎng)度約為1 m的白色塑料空芯套管一段；直徑為2.0 cm長(zhǎng)度約為5 cm的白色塑料空芯套管一段；直徑為1.5 cm的白色塑料直角接頭4只；紅色和桔黃色的即貼紙各一小張；塑料薄膜袋1只.

三、制作方法

1.拆取環(huán)形磁鐵.首先將兩只廢舊電動(dòng)式喇叭拆解，分別取下其中的環(huán)形磁鐵，然后根據(jù)環(huán)形磁鐵的厚度，裁取紅色和桔黃色的即貼紙紙條分別貼在磁環(huán)上，便于提高演示的可視度.

2.用鋼鋸將直徑為1.5 cm長(zhǎng)度約為1 m的白色塑料空芯套管分別鋸成長(zhǎng)為18 cm和8 cm各兩段.然后將這4段白色塑料空芯套管和4只直徑為1.5 cm的白色塑料直角接頭，拼接成一個(gè)長(zhǎng)方形狀的框架，并將兩只環(huán)形磁鐵套入其中，詳見(jiàn)（圖2）所示（為了使白色塑料空芯套管與白色塑料直角接頭處不易松脫，拼接時(shí)最好在每段白色塑料空芯套管的兩端分別纏繞些塑料薄膜，使其稍緊些套入白色塑料直角接口）.

四、使用方法

1.演示物體先超重后失重現(xiàn)象

首先用手提起超失重演示器，同時(shí)將套掛在演示器中的兩只環(huán)形磁鐵分開(kāi)，分別移掛在演示器掛桿左右兩側(cè)所標(biāo)注的磁環(huán)定位刻度處（此時(shí)兩環(huán)形磁鐵的相對(duì)磁極處于異名磁極），如圖3所示.若突然將演示器豎直向上加速提升，初始階段，演示器從靜止開(kāi)始突然豎直向上加速運(yùn)動(dòng)，兩只環(huán)形磁鐵對(duì)掛桿的壓力大于其所受重力，這時(shí)兩只環(huán)形磁鐵處于超重狀態(tài).由f=μΝ得知，當(dāng)壓力大時(shí)，兩只環(huán)形磁鐵與掛桿間的最大靜摩擦力就大.由于它們之間的最大靜摩擦力大于兩只環(huán)形磁鐵間的相互吸引力，因此兩只環(huán)形磁鐵仍處在初始位置；然而當(dāng)演示器繼續(xù)提升到某一高度，在此階段演示器是一種減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，兩只環(huán)形磁鐵對(duì)掛桿的壓力小于其所受重力，這時(shí)兩只環(huán)形磁鐵處于失重狀態(tài).由f=μΝ得知：當(dāng)壓力小時(shí)，兩只環(huán)形磁鐵與掛桿間的最大靜摩擦力就小.由于它們之間的最大靜摩擦力小于兩只環(huán)形磁鐵間的相互吸引力，因此兩只環(huán)形磁鐵分別迅速向演示器掛桿中間滑動(dòng)而吸合在一起.由此得知：演示器從靜止開(kāi)始突然豎直向上加速提升的整個(gè)過(guò)程中，套掛在演示器掛桿中的兩只環(huán)形磁鐵在初始階段是處于超重狀態(tài)，而在后續(xù)階段是處于失重狀態(tài).

2.演示物體的失重現(xiàn)象

用手提起超失重演示器，先把套掛在演示器掛桿中的兩只環(huán)形磁鐵仍移至實(shí)驗(yàn)前位置，若這時(shí)突然將演示器豎直向下加速運(yùn)動(dòng)，兩只環(huán)形磁鐵對(duì)掛桿的壓力小于其所受重力，這時(shí)兩只環(huán)形磁鐵處于失重狀態(tài).由f=μΝ得知：當(dāng)壓力小時(shí)，兩只環(huán)形磁鐵與掛桿間的最大靜摩擦力就小.由于它們之間的最大靜摩擦力小于兩只環(huán)形磁鐵間的相互吸引力，因此兩只環(huán)形磁鐵分別迅速向演示器掛桿中間滑動(dòng)而吸合在一起.

3.演示磁體間存在“異名磁極相吸、同名磁極相斥”的物理現(xiàn)象

用手提起演示器，先把套掛在演示器掛桿中的兩只環(huán)形磁鐵移至實(shí)驗(yàn)前位置，見(jiàn)（圖3）所示（兩只環(huán)形磁鐵的磁極處于異名磁極）.演示時(shí)，用手將其中一只環(huán)形磁鐵向另一只環(huán)形磁鐵方向移靠，由于磁體間的相互作用力，兩只環(huán)形磁鐵還沒(méi)接觸時(shí)，它們已經(jīng)吸合在一起了.從而說(shuō)明磁體間存在著“異名磁極相吸” 的物理現(xiàn)象.

接著按演示器掛桿上所標(biāo)注的箭頭方向拆卸，將演示器的一條邊框取下，同時(shí)把兩只環(huán)形磁鐵取出，把事先準(zhǔn)備的一段直徑為2.0 cm長(zhǎng)度約為5 cm的白色塑料空芯套管先套入掛桿，再將兩只環(huán)形磁鐵的其中一只環(huán)形磁鐵調(diào)換其磁極方向一同套入掛桿（兩只環(huán)形磁鐵的磁極處于同名磁極），重新安上剛?cè)∠碌倪吙蚧謴?fù)演示器原狀，演示器豎直放置，如圖4所示.由于磁體間的相互作用力，這時(shí)即可看到兩只環(huán)形磁鐵不但沒(méi)吸合反而相互排斥分離開(kāi).若將其中一只環(huán)形磁鐵去靠近另一只環(huán)形磁鐵時(shí)，另一只環(huán)形磁鐵也朝其移動(dòng)方向遠(yuǎn)離而去，從而說(shuō)明磁體間存在“同名磁極相斥” 的物理現(xiàn)象.

磁懸浮列車(chē)正是利用了磁體間存在的相互作用力這一原理設(shè)計(jì).磁懸浮列車(chē)是一種靠磁懸力（即利用兩個(gè)同名磁極之間的磁斥力或兩個(gè)異名磁極之間的磁吸力）來(lái)推動(dòng)的列車(chē).由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，運(yùn)行時(shí)不同于其他列車(chē)需要接觸地面，因此，只受來(lái)自空氣的阻力.