超重和失重的实验探究

超重和失重的实验探究

江苏省太仓高级中学王永元

物理学是一门以实验为主的自然科学。实验是培养学生科学素质的重要途径。虽然课堂上学生要解决的问题大多是科学上已经解决了的问题，这些问题所包含的原理都作为基础知识列入教材中。不过，对学生来说，这些问题则是新的、未知的。在学习过程中学生会出现各种各样的问题，巧妙抓住学生中出现的问题，设计相应的物理实验，引导学生进行探究学习，能有效培养学生对知识再次发现与探索的学习观念、激励学生的探索精神、使学生在探究过程中获得知识、发展技能、培养能力特别是创新能力。下面以“超重和失重现象”的教学为例，阐述在课堂教学中以问题为探究出发点，以实验为探究突破口，有效地组织学生进行探

究学习进行的一点尝试。

探究问题一：向上运动超重吗？

学生在初次认识超重和失重概念时，通常会得出：向上运动——超重；向下运动——失重片面的错误观点。针对这个值得探究怕问题，设计在超重失重情况下，探究运动方向与超重失重有无必然关系的实验。让学生在探究实验中认识超重失重的概念，自己发现规律。

实验器材选择：选择1米长的木条或为米尺一把；50克的钩码一个；50厘米长的单股橡皮筋（要求50克钩码能让它伸长30厘米左右为宜）一根；图钉一颗。

实验器材组装：如图所示，把单股橡皮筋的一端，用图钉固定在1米长的木条上，另一端系上50克的钩码。放手后，以竖直悬挂伸长至80厘米长为宜，过长或短过应适当调节橡皮筋的长度。

实验探究方法：首先用手握住木条使其处于竖直位置，并保持静止，同时记下钩码的位置，此时钩码对悬绳的拉力F等于钩码的重力G（F=G）；然后用手握住木条使其在竖直方向运动，若实验中出现悬绳的长度变短，则说明钩码对悬绳的拉力F小于钩码的重力G（FG，即出现超重

现象。学生可利用这样的简单关系，探究在怎样的运动状态下出现超重和失重现象，从而正确认识和理解规律。

探究问题二，失重超重时压力真得变了吗？

显示压力的变化是说明超重失重现象最直接的实验，本实验使用简易的装置产生对比度较为强烈的实验结果，帮助学生建立超重失重的概念。

实验器材选择：准备一根长约1m ，直径约为4cm的空心塑料管；高弹性橡皮膜一块；一段长约40cm的细线；一烧杯水。

实验器材组装：如图所示，用橡皮膜包住塑料管的一端，再用细线将橡皮膜固定。（注意密封性要好）将烧杯内的水从空心塑料管另一端倒入，直至灌满。

实验探究方法：首先用手握住塑料管使其竖直，使包有橡皮膜的一端向下并距地面约1m处，保持静止，观察橡皮膜形状，此时塑料管中的水由于重力作用给橡皮膜一个压力使橡皮膜成半球状；然后静止释放塑料管，在塑料管即将落地前接住它，观察塑料管在自由下落过程中橡皮膜的变化，发现橡皮膜由半球状变小至塑料管未灌水之前的形状，说明在整个装置自由下落时塑料管中的水不再给橡皮膜压力，水的重力好象没有了，即出现了失重现象。如果用手握住塑料管使其竖直，使包有橡皮膜的一端向下并距地面约20cm处，保持静止，再用力将塑料管向上加速提升约1m，观察塑料管在上升过程中橡皮膜的变化，发现在加速上升时橡皮膜由原状变成更大的圆球状，说明在整个装置加速上升时塑料管中的水给了橡皮膜更大的压力，水的重力好象变大了，即出现了超重现象；而当减速上升时橡皮膜又变小了，出现了失重现象。

探究问题三：完全失重时还会有浮力吗？

学生在了解超重和失重现象后，对于浮力——浸没在液体中的物体上下表面的压力差，会产生新的思考，特别是在完全失重情况下，压力应为零，该情况下浮力还存在吗？针对学生的疑问，设计该探究实验，让学生在实验探究中加深对规律的理解，学会应用规律的分析和解决问题。

实验器材选择：准备透明较大的塑料瓶（如大可乐瓶）1个；能在水面上浮起的泡沫塑料块和带孔的金属块（如金属螺帽）各一块，大小以能从瓶口放入为宜；10厘米长的单股橡皮筋（选择50克钩码能让它伸长30厘米左右为宜）一根；适量清水。

实验器材组装：如图所示，将泡沫塑料块和金属块用橡皮筋连接起来，使橡皮筋的长度控制在瓶高三分之二左右，并放入瓶内，然后在瓶中加入清水，以将泡沫塑料块浸没为宜。为使实验达到最佳效果，尽可能调节泡沫塑料块和金属块的总重量，使它们在水中接近悬浮状态，但铁块必须沉入水底。

实验探究方法：用手握住塑料瓶让其在竖直方向运动，观察在不同的运动情况下，泡沫塑料块和金属块的相对位置变化。如果让瓶做自由落体运动或竖直上抛运动，实验中会发现，金属块将离开底部向水面运动，泡沫塑料块将离开水面向瓶底运动，两者相对位置发生明显变化，引导学生分析实验现象，总结物理规律。帮助学生理解完全失重情况下，浮力大小为零的这一特殊现象。

问题四：能让摩擦力消失吗？

这是一个比较有趣的问题，在学生对失重超重有了一定的认识的时候，会对失重超重时产生的相关现象产生浓厚兴趣。学生会从摩擦力产生需要压力，失重时可以减小压力，完全失重时压力为零，即摩擦力可能为零。本实验就是设计让学生在常规条件下，自己去发现和感受完全失重时产生的物理现象。学会应用物理知识解决实际问题，提高对问题的分析能力和实验的操作能力。

实验器材选择：准备宽2—3厘米长20厘米左右的纸条5-6张，较厚的书（可用教科书）1—2本。

实验器材组装：将纸条夹入书中，为增加纸条拉出的难度，要求尽可能让纸条夹在书的后面，并把每张纸逐张夹在厚书的下面。

实验探究方法：在通常情况下，由于纸条的两面都会产生阻碍运动的摩擦力，因此要想将5-6张纸条一起拉出极为困难。要求学生在不翻开书的情况下，探索如何减小摩擦力，轻松地将纸条拉出。引导学生发现在竖直上抛、自由落体等抛体运动中都能轻松完成实验。

以上实验由于仪器简单，可以让学生分组进行探究实验，相信课堂气氛和教学效果会更好。