在地面上做太空失重實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新方法

鄧穎

摘 要：本文主要介紹了利用智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像技術(shù)來(lái)觀察物體超重、失重狀態(tài)的一些特殊物理現(xiàn)象。利用平時(shí)用的整理箱和智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像相結(jié)合，制作一個(gè)定滑輪支架，打造一個(gè)可以研究超重、失重現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以進(jìn)行超重、失重現(xiàn)象研究。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；慢動(dòng)作攝像；失重；超重；同屏顯示

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-046-3

在人教版必修一第四章第七節(jié)《超重與失重》部分的常規(guī)教學(xué)中，只能通過(guò)各種“巧妙”的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生“間接”感知超重和失重現(xiàn)象，學(xué)生不能直接觀察到超重、失重現(xiàn)象，增加了學(xué)生對(duì)物理概念的理解難度。特別是學(xué)生最感興趣的完全失重現(xiàn)象，一般只能播放一些太空里的視頻?？紤]到新課程提出的“體驗(yàn)探究，倡導(dǎo)創(chuàng)新”要求，筆者設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，做到超重與失重現(xiàn)象可視化，將轉(zhuǎn)“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過(guò)程進(jìn)行“慢放定格”，把太空艙里的完全失重實(shí)驗(yàn)搬到地面上完成。

1 實(shí)驗(yàn)器材制作以及技術(shù)支持

整理箱改造：將日常生活中常用的衣服整理箱內(nèi)部用膠水粘貼輕質(zhì)塑料條，用來(lái)固定手機(jī)。在下方側(cè)壁粘貼塑料泡沫板，起到支撐手機(jī)的作用。在底部放置大小合適的方木板，以防箱子被壓壞，如圖1所示。

滑輪支架設(shè)計(jì)：用長(zhǎng)為2 m的方形空心管作為支撐，下方用鐵皮固定，上方安裝兩組4個(gè)定滑輪，在上方固定電磁鐵裝置用來(lái)研究物體自由下落時(shí)使用（如圖2所示）。

同屏幕顯示技術(shù)：蘋果手機(jī)的智能同屏幕顯示技術(shù)，基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的支持。用手按住蘋果手機(jī)屏幕從下向上拉，有“屏幕鏡像”就是這個(gè)功能。需要在電腦上安裝iTools工具，將二者匹配后，此時(shí)手機(jī)屏幕上顯示的內(nèi)容就可以同步顯示到電腦屏幕上。

2 應(yīng)用智能手機(jī)的慢動(dòng)作攝像功能和自制儀器開(kāi)展系列實(shí)驗(yàn)探究

2.1 在失重時(shí)磁鐵受力狀態(tài)變化探究

實(shí)驗(yàn)器材：整理箱，多功能支架，方木板，兩個(gè)馬蹄形磁鐵，蘋果手機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：將木板放入到整理箱里，磁鐵異名磁極相對(duì)，放置在木板上，讓二者距離適當(dāng)。打開(kāi)手機(jī)的錄像慢動(dòng)作功能，從靜止開(kāi)始釋放整理箱?？刂普硐湎陆档母叨确乐棺矒舻街Ъ艿撞?。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：靜止時(shí)兩個(gè)磁鐵保持一定的距離，如圖3（1）所示；在物體下落過(guò)程中兩個(gè)磁鐵吸引到一起了，如圖3（2）所示。

實(shí)驗(yàn)原理：開(kāi)始因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖冢瑑蓧K磁鐵之間的吸引力小于等于靜摩擦力，二者均保持靜止。當(dāng)磁鐵下降時(shí)，處于失重狀態(tài)，磁鐵與木板之間的彈力減小，磁鐵與木板之間的最大靜摩擦力也減小，當(dāng)磁力大于最大靜摩擦力時(shí)磁鐵就被吸引到一起了。

2.2 超重與失重時(shí)火焰形態(tài)變化探究

實(shí)驗(yàn)材料：整理箱，多功能支架，蠟燭，蠟臺(tái)，打火機(jī)，方木板，蘋果手機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：將蠟燭點(diǎn)燃，在木板上滴幾滴蠟油用來(lái)固定蠟臺(tái)，然后將蠟燭固定在蠟臺(tái)上。點(diǎn)燃蠟燭，然后把整理箱密封，防止空氣流動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。打開(kāi)手機(jī)的錄像慢動(dòng)作功能，將整理箱從靜止釋放，此時(shí)看到手機(jī)記錄了火焰的變化情況，然后控制整理箱停止。取出手機(jī)播放視頻就可以看到整個(gè)過(guò)程火焰的變化情況。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：觀察到靜止時(shí)火焰作如圖4（1）所示；在開(kāi)始下降后火焰變成接近球狀，如圖4（2）所示；然后，在靜止前瞬間火焰突然被拉長(zhǎng)，如圖4（3）所示。

實(shí)驗(yàn)原理：靜止時(shí)蠟燭燃燒是石蠟蒸汽燃燒，在氣體劇烈反應(yīng)發(fā)生的地方發(fā)光發(fā)熱十分明顯。隨著燃燒后熱氣體上升，周圍冷的氣體下降，空氣發(fā)生對(duì)流，從而形成圓錐狀的火焰。圓錐狀火焰也與重力有關(guān)，熱氣體的密度比冷氣體的輕，因此會(huì)向上升。與液體浮力類似，氣體的浮力也是氣體內(nèi)部壓力差造成的，在失重力情況下，蠟燭各個(gè)方向受到的氣體壓強(qiáng)對(duì)稱，所以火焰接近球狀。而在降落到地面瞬間，整體處于超重狀態(tài)，火焰內(nèi)部的石蠟蒸汽也變成超重上升，所以實(shí)驗(yàn)觀察到火焰被拉長(zhǎng)了。

2.3 在完全失重時(shí)單擺的運(yùn)動(dòng)變化探究

實(shí)驗(yàn)材料：整理箱，方木板，蘋果手機(jī)，牛頓擺裝置，床單，5個(gè)同學(xué)。

實(shí)驗(yàn)步驟：將牛頓擺的小球拆掉僅保留一個(gè)，使用雙線擺固定擺球。將整理箱搬到二樓，如圖5（1）所示。打開(kāi)手機(jī)攝像，使小球開(kāi)始做單擺運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)不超過(guò)水平線，如圖5（2）所示。當(dāng)小球處于最低點(diǎn)附近釋放整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，做自由落體運(yùn)動(dòng)。下方4個(gè)同學(xué)拉開(kāi)床單接住實(shí)驗(yàn)裝置，防止裝置損壞。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：靜止時(shí)小球做往復(fù)的單擺運(yùn)動(dòng)，當(dāng)整體處于完全失重時(shí)，小球繞中心對(duì)稱軸做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖5（3）所示。

實(shí)驗(yàn)原理：在靜止時(shí)小球做單擺運(yùn)動(dòng)受到重力和繩子的彈力兩個(gè)力作用，二者合力使小球做變速圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)整體處于完全失重時(shí)，重力作用在小球上產(chǎn)生豎直向下的加速度。此時(shí)，以整理箱為參考系，小球做的是勻速圓周運(yùn)動(dòng)（空氣阻力忽略），繩子的彈力提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

2.4 在完全失重時(shí)氣球的浮力變化探究

實(shí)驗(yàn)材料：整理箱，多功能支架，方木板，直徑是30 cm、高度35 cm的圓柱形透明玻璃缸，氣球，橡皮筋，圓柱形砝碼，手機(jī)。

實(shí)驗(yàn)步驟：將玻璃缸內(nèi)裝入適量的水，橡皮筋一端拴在砝碼上，另一端拴在吹大的氣球上，使氣球浸在水里，橡皮筋因?yàn)闅馇蛳蛏系母×Χ焕L(zhǎng)。將整個(gè)裝置放到多功能支架上面，打開(kāi)手機(jī)進(jìn)行慢動(dòng)作錄像，從靜止釋放錄制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，然后停止錄像觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)在靜止時(shí)在氣球浮力和砝碼重力作用力下橡皮筋被拉長(zhǎng)了。當(dāng)處于完全失重時(shí)，橡皮筋收縮，“浮力和重力仿佛都消失了”，橡皮筋將氣球和砝碼都拉到了一起，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)原理：在完全失重時(shí)，整體受到重力產(chǎn)生向下的重力加速度。浮力產(chǎn)生的原因是因?yàn)槲矬w各個(gè)方向受到液體的壓力差，完全失重時(shí)上層水對(duì)下層水沒(méi)有壓力，此時(shí)浮力消失了。在橡皮筋彈力作用下氣球被拉到水下，下方的砝碼被拉到上方。

2.5 在完全失重時(shí)水流的變化探究

實(shí)驗(yàn)材料：蘋果手機(jī)，整理箱，多功能支架，方木板，純棉手巾，礦泉水瓶。

實(shí)驗(yàn)步驟：打開(kāi)手機(jī)的慢動(dòng)作錄像功能，點(diǎn)擊開(kāi)始錄像。在礦泉水瓶子中間位置扎一個(gè)小洞裝滿水，當(dāng)擰開(kāi)上方蓋子時(shí)水會(huì)流出來(lái)。在下面墊上純棉手巾，流出的水會(huì)被手巾吸收。使整個(gè)裝置從靜止自由下落，手機(jī)會(huì)錄制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)束停止錄像，播放視頻觀看。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在靜止時(shí)水流會(huì)從小孔流出，如圖7（1）所示；當(dāng)處于完全失重時(shí)，水流會(huì)停止流出，如圖7（2）所示。

實(shí)驗(yàn)原理：在靜止時(shí)小孔上方的大氣壓強(qiáng)和水的高度差產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和比孔外大氣壓強(qiáng)要大，孔內(nèi)部壓力大于孔外部壓力，所以水流從小孔向外流出。當(dāng)處于完全失重時(shí)，上層水對(duì)下層水沒(méi)有壓力，孔內(nèi)外的壓強(qiáng)都等于大氣壓強(qiáng)，所以孔內(nèi)外的壓力相等，水不再?gòu)男】琢鞒觥?/p>

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）超重與失重現(xiàn)象可視化，利用手機(jī)的慢動(dòng)作錄像結(jié)合同步攝像拍攝。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)+同屏幕顯示技術(shù)，可以將實(shí)驗(yàn)同步在教室內(nèi)的投影儀內(nèi)實(shí)時(shí)顯示。

（3）同一個(gè)平臺(tái)多種實(shí)驗(yàn)，以點(diǎn)帶面可以做多個(gè)實(shí)驗(yàn)將知識(shí)進(jìn)行整合。

（4）使用個(gè)人必備的智能手機(jī)做實(shí)驗(yàn)，可以將生活與物理緊密聯(lián)系，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

編后記：本實(shí)驗(yàn)最重要的創(chuàng)新是讓師生直接觀察并記錄，研究在一個(gè)加速（含減速）運(yùn)動(dòng)的參照系中的物理現(xiàn)象。通常物理實(shí)驗(yàn)是在地面實(shí)驗(yàn)室參照系中做的，牛頓與伽利略認(rèn)為牛頓力學(xué)定律在慣性參照系中才嚴(yán)格成立。由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，地面實(shí)驗(yàn)室只是近似的慣性參考系。在加速參照系中運(yùn)動(dòng)的物體，除了受到通常的作用力（例如重力、壓力、摩擦力）之外，物體還會(huì)受到“慣性力”。在自由下落的加速參考系中，物體受到的慣性力大小等于重力，方向與重力方向相反。慣性力與重力的合力為零，物體處于失重狀態(tài)。建議讀者認(rèn)真學(xué)習(xí)趙凱華先生的著作[3]，可以更深入地掌握以上知識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁振武，張洪明.改進(jìn)激光器 整合初中光學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理，34（12）：49-50.

[2]李柏濤，張洪明.利用生活物品演示靜電實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理，2015，33（9）53-54.

[3]趙凱華，羅蔚英.新概念物理教程·力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995（2002重?。?

（欄目編輯 王柏廬）