用壓強計探究超重、失重條件

幸艷花

摘? ?要：巧妙利用實驗室器材進行創(chuàng)新性的設計，在此基礎上創(chuàng)新學生分組實驗，在物理教學中具有重要的意義。文章利用液體壓強計設計學生分組實驗來探究超重、失重的產(chǎn)生條件。

關鍵詞：壓強計;超重;失重

物理作為一門以實驗為基礎的學科，探究性實驗可以培養(yǎng)學生探索物理規(guī)律、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。好的探究性實驗可以激發(fā)學生強烈的探索欲望，從而主動地投入到學習中。

但是在實際的物理教學中，由于場地以及實驗設備數(shù)量的限制，只能提前錄制視頻或者做演示實驗，這樣學生參與度不高，也不能親身體驗物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程。為了讓學生更多地參與到物理實驗中，可以利用實驗室已有的較為常見的器材來創(chuàng)新性地設計分組實驗，記錄數(shù)據(jù)并分析現(xiàn)象，這也是物理核心素養(yǎng)的要求。因此，本文利用實驗室常見的器材設計學生分組實驗，探究超重、失重條件，并用于教學中。

1? ? 教學設計思路

“超重和失重”是牛頓第二定律應用的一個知識點，該內(nèi)容與實際生活結合緊密。但是，由于生活經(jīng)驗也帶來了一些問題：一是學生受前概念影響，認為超重就是重力變大;二是學生不會用牛頓第二定律、牛頓第三定律分析超重與失重的本質，而是死記一些結論，往往錯誤地認為上升的物體處于超重狀態(tài)，下落的物體處于失重狀態(tài)[1]。

因此，教師需要設計實驗消除這些錯誤前概念的影響。但是，傳統(tǒng)的電梯實驗會受到場地的限制，并且部分學校也沒有配備傳感器這樣的實驗裝置，使得探究超重、失重條件這一實驗的開展較為困難。因此，筆者進行了創(chuàng)新實驗設計，本實驗不需要具體的數(shù)值，只需要分析物體的運動狀態(tài)以及重力和支持力的大小關系。筆者通過分組實驗的方式，引導學生利用實驗室的實驗器材自主探討定性實驗方案，并在小組內(nèi)探討實驗方案的可行性，在此基礎上不斷改進實驗，以培養(yǎng)學生的科學思維，讓學生經(jīng)歷獲得結論的過程。同時，通過實驗器材的巧妙利用，可以鍛煉學生的創(chuàng)新思維和遷移思維，激發(fā)學生的學習熱情。

2? ? 教學設計過程

（1）引入

首先，播放一段楊利偉從太空返回后接受記者采訪的視頻。重點請學生關注這樣一段對話。

記者：在“神舟”五號飛船發(fā)射和運行過程中，你都干了些什么？感覺怎樣？

楊利偉：飛船發(fā)射時，感覺超重感比較強，最大時達到5G。船艦分離時，我感到有一種忽然騰空的感覺，這時又進入了失重狀態(tài)。

通過引導學生關注楊利偉的感覺，讓學生回憶并思考平時在乘電梯時是否也有這樣的感覺。接著向學生提出問題：這樣的物理現(xiàn)象對應有怎樣的運動學和力學特征呢？你有何猜想？超重就是重力變大嗎？上升的物體就一定處于超重狀態(tài)嗎？如何設計實驗來證明呢？

（2）實驗設計

為了驗證相關猜想，在實驗中需要得到物體的運動狀態(tài)和力的大小關系。

提供如下實驗器材：液體壓強計和橡膠管（液體壓強計薄膜上壓力的變化會導致壓強變化，從而使U型管液柱兩端有高度差），鐵架臺，鉤碼，滑輪，礦泉水瓶（制作小盒子放鉤碼），手機。實驗裝置如圖1。

3? ? 實驗過程

（1）按照圖1組裝實驗裝置。根據(jù)液體壓強公式P=ρgh可知，在壓強相同的情況下，高度差與液體密度成反比，因此為了使實驗現(xiàn)象更加明顯，U型管中的液體使用無水乙醇，并加入紅墨水，以便觀察實驗現(xiàn)象。

（2）拿走小盒中的重物，調節(jié)壓強計兩管液面高度差使其相平，繩端掛鉤碼，使小盒加速上升和減速上升。觀察壓強計U型管中的液面變化，若看到兩管中液面不動，仍然相平，說明運動過程中金屬盒上的橡皮膜受到的空氣阻力可以忽略不計。

（3）在小盒上放重物，調節(jié)兩管中液面高度差，使其相平。調節(jié)右側鉤碼個數(shù)，使左側鉤碼上升，觀察液面高度差，記錄現(xiàn)象，分析橡皮膜的壓力。

（4）在小盒上放鉤碼，調節(jié)兩管中液面高度差，使其相平。調節(jié)右側鉤碼個數(shù)，使左側鉤碼下降，觀察液面高度差，記錄現(xiàn)象，分析橡皮膜的壓力。

（5）實驗中用攝像機或者手機對實驗過程進行慢動作拍攝，然后進行回放，這樣實驗現(xiàn)象會非常明顯，方便學生觀察、分析，從而得出結論。實驗結論如表1所示。

從表1可以看出，物體的加速度向上，物體處于超重狀態(tài);物體的加速度向下，物體處于失重狀態(tài)。因此，超重、失重狀態(tài)與物體的速度方向無關，而與物體的加速度方向有關。

4? ? 反? 思

本實驗原理簡單，設計直觀，操作簡便，器材方便易得，都是中學物理常見的實驗器材，并且實驗現(xiàn)象明顯，特別是將U型管中的液體換作無水乙醇后，液面高度差可達到10 cm;其次，本實驗能夠鍛煉學生的遷移思維——壓強計不僅可以測壓強，也可以作為間接反映力的工具。本實驗在物體上升、下落過程中時間較短，雖然現(xiàn)象明顯，但是持續(xù)時間較短，因此需要用手機拍攝慢動作視頻，通過這樣的處理方式調動了學生參與的熱情，取得了非常好的實驗效果。

綜上，物理實驗室器材的使用是非常靈活的，平時要訓練學生的拓展性思維，可以利用已有的實驗器材進行實驗設計，這樣不僅能夠豐富實驗活動，激發(fā)學生的學習興趣，而且有利于學生科學思維的形成。

參考文獻：

[1]郭玉英，蘇明義.新版課程標準解析與教學指導 高中物理[M].北京：北京師范大學出版社，2018：296.

（欄目編輯? ? 張正嚴）