用液体压强计设计“超重与失重”演示实验，本文主要内容关键词为：压强论文,液体论文,演示论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
自从中国首次载人航天飞行取得圆满成功以来，同学们对高中物理新教材第一册《超重和失重》这一节内容表现出热烈向往。而要使学生正确理解“超重和失重”现象，教学中却有一定的难度。激发学生的探究意识，打破定式思维障碍，演示实验是关键。一般有两种演示实验设计思路：直接测量物体的视重变化和间接反映视重的变化。目前多数的演示实验设计都属于间接显示这种，并替换了课文中“人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？”这个实验情境，自行装置综合性较强，不适宜作为形成概念用的新课演示实验。经过多次探索和实践，特设计如下实验：
一、实验情境设计
作为形成概念用的新课演示实验，课文中“人站在升降机里的测力计上，测力计的示数是多大？”这个基础实验情境不能变，也不宜替换。因为它是使学生能否正确理解：“超重不是重力增加，失重不是重力减小，完全失重不是重力消失，没有了。只是物体对支持物的压力（或对悬挂物的拉力）发生了增大（或减小）的变化，而物体的重力仍然存在且大小不变。”这一原理的重要感性认知实验情境。
（1）一种简易的实验：让一位同学站在体重计上静止，突然下蹲，突然站起，请另一位同学观察指针的变化。这个观察有一定的局限性，人突然下蹲，突然站起质心运动为非匀加速运动，时间短暂，体重计指针又有惯性因素影响，暂态观察几乎没有。且只有一二位同学观察，课堂上虽热热闹闹，其他同学却没有观察的体验。
（2）如图1a，设计钩码与吊盘通过定滑轮相连这样一种匀变速升降机实验情境。这个情境本源就是课本情境，由于钩码与吊盘的质量可调，高度可调。可以设计出加速度较小，运动时间较长的匀变速环境。这样既可以演示超重又可以演示失重。
二、实验观察测量设计
设计了以上实验情境后，如图1b，常有直接用测力计（包括用双指针的记忆测力计）对悬挂物的拉力测量。这个观察也有一定的局限性。读数装置是在一个非惯性系的运动情境里，实际上观察和读数都是比较困难的，即使有记忆测力计，也是一个末态的观察。也有配合播放电视录相的慢镜头，但增加了复杂设备，还削弱了课堂演示实验的信度。
（1）等效转换的实验设计思想的运用
设计一：
①静态的观察和测量常是方便可靠的。如图1b的实验情境中，设想能不能把读数装置（测力计）设计在静态情境里呢？如图2，图3运用一个动滑轮设计如下。
②通过由“动”到“静”的设计，对测力计观察及示数变化就可以变成静态的。解决以上分析的读数观察的局限性。
③问题：由于动滑轮的作用，测力计的读数只是对悬挂物的拉力的1/2，在钩码与吊盘的重力较大时，这样虽然观察超重和失重现象可以，但要进行解释和说明。而由平衡时烧断与三个钩码相连的细绳做完全失重演示时，测力计的示数为零是非常明显信服的。
设计二
①设计创新：设想能不能把观察和测量部分与匀变速的运动实验情境分离呢？把吊盘里物体对盘底压力变化的观察与测量从运动情境中剥离，就要考虑一个压力效果如何等效转换的问题。
②等效转换要在高一学生已有的认识基础上，不能弄得比较复杂。如图2，设计运用初中学过的液体压强计。利用液体压强计的薄膜盒实际上相当于一个压力传感器。还可以在圆周运动中演示超重和失重现象。
③拆掉原液体压强计薄膜盒的支架部分，把薄膜盒就直接做成吊盘的底座。加长与U型玻璃管相连接的橡皮管部分。薄膜盒的薄膜部分用安全套（或实验室用橡皮手套）替换，灵敏度强，可以在一定的压力作用下发生适当的形变。通过薄膜的形变向U型管的液柱传递压力发生了增大（或减小）的变化。用有色液体（红墨水）注入U型玻璃管以增强观察可见度。整个液体压强计竖直固定在铁架台上。应用一个液体压强计与滑轮吊盘的组合就设计完成了如图4实验装置。
（2）实验演示操作
①先调配吊盘总质量在150g左右（在薄膜盒上压一个100g的天平砝码）用粘一些橡皮泥来配重，三个钩码的质量与其相同，使吊盘处于平衡状态。此时U型管两端会有一个高度差H（相差15格左右），做下刻度记录，表明静止状态下砝码重的压力作用效果。
②超重现象演示：在右端增加三个钩码，由静止释放，吊盘约以g/3的加速度向上加速，全体同学都可以明显的观察到U型玻璃管两端的液体柱高度差H增加5格左右的暂态，表明有竖直向上加速度运动状态下砝码对盘底压力作用增加。实验效果非常好。
③失重现象演示：在右端减少两个钩码，由静止释放，吊盘约以2g/3的加速度向下加速，这时可以明显的观察到U型玻璃管两端的液体柱高度差H减小到5格左右的暂态，表明有竖直向下加速度运动状态下砝码对盘底压力作用减小；如果由平衡时烧断与三个钩码相连的细绳，就可以观察到U型玻璃管两端的液体柱高度相平的暂态，表明以重力加速度g竖直下降时砝码对盘底压力作用减小为0，这就是完全失重的现象。
④注意事项说明：用塑料片在吊盘薄膜盒四周围上一圈，以防止砝码掉出来；整个下落装置下垫上海棉垫，以防下落砝码剧烈碰撞；由于液体柱本身的惯性因素影响，暂态结束后U型管内的液柱会有上下的窜动。
用引人入胜的演示实验对学生而言就是强烈刺激探究的诱因，能极大地激发学生学习的兴趣，集中学生注意力，加强记忆的效果，帮助形成概念教学，同时这个实验的创新设计也潜移默化地培养了学生实验设计的方法和思想，起到良好的教学效果。