陜西 董晨碩

創(chuàng)新實驗設計，落實核心素養(yǎng)。

創(chuàng)新的物理實驗設計具有獨創(chuàng)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(xiàn)象，而且使物理學習過程更加豐富多彩。同時，通過培養(yǎng)學生的科學思維、推理能力、探究素養(yǎng)，體現(xiàn)“猜想與假設”的科學精神，使學生在創(chuàng)新實驗活動中設計實驗探究方案和獲取證據(jù)，進一步促使物理學科核心素養(yǎng)的落實。

“超重與失重”是高中物理必修一(人教版)最后一節(jié)的內(nèi)容，它作為一種生活中的物理現(xiàn)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(lián)系。所以，通過實驗探究超重和失重物理現(xiàn)象的發(fā)生原因，是學習本知識點的關鍵所在。

一、傳統(tǒng)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(tài)觀察示數(shù)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(tài)，即保持物體靜止或者勻速運動(各個方向)，觀察測力計示數(shù)，此時的讀數(shù)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(shù)，可發(fā)現(xiàn)大于靜止時的示數(shù)，即物體處于超重狀態(tài)，反之則為失重狀態(tài)。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(tài)時的示數(shù)(平衡狀態(tài)、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(shù)，以及物體減速上升過程中測力計最小讀數(shù)來進行判斷。

1.教材實驗的優(yōu)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(lián)系緊密。

2.教材實驗存在的不足

(1)體重計示數(shù)穩(wěn)定需要一定的時間，效果不佳，導致示數(shù)與運動狀態(tài)不對應，容易讓學生產(chǎn)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(shù)變化，可能導致學生認為體重發(fā)生了變化，不易理解實驗現(xiàn)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(shù)。

二、創(chuàng)新實驗方案

“超重與失重”實驗的創(chuàng)新設計方案主要依據(jù)替代法原理，將體現(xiàn)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(tǒng)靜止時，圓柱體的上表面能與管的上截面相切。根據(jù)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(tǒng)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(nèi)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(tài)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(jù)記錄到的測力儀讀數(shù)，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(xiàn)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(tài)，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(shù)。

(2)失重現(xiàn)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(tài)。同時，記錄測力儀上的讀數(shù)。

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(shù)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