利用弹簧振子的运动特征演示超重与失重现象

摘要

利用弹簧振子的运动特征，对演示超重与失重现象的实验进行创新设计。此设计在实验方法上利用座式弹簧秤称量弹簧振子运动的视重变化，利用遥控器控制内系统运动，启动弹簧振子排除了外力干扰，利用杠杆原理将视重变化放大转移到弹簧振子运动的相应位置，优化了观察方法，并利用弹簧振子的动力在该装置上设计了物体做上下匀速运动的装置，能明显地观察到物体运动与视重变化的关系。

Graphical abstract

关键词

运动特征 / 超重 / 失重 / 弹簧振子 / 实验创新设计

随着中国航空航天技术的飞速发展，超重与失重现象越来越被人们所关注和重视。为此，“超重与失重”作为物理与生活实际联系的内容，在高中物理课程必修一中作为牛顿第二定律的应用部分出现，更是分外引起学生的兴趣。该课内容不仅可以帮助学生正确理解超重和失重现象，利用超重和失重现象来解决一些实际问题，而且有助于学生加深对牛顿第二定律的理解。要想真正掌握本节内容，演示实验尤为重要。然而，到目前为止，还没有找到理想的实验演示方法。

笔者参阅了多种参考资料，其中提到的多种实验方法均存在不足，不能很好地体现出物体运动与视重变化的关系。通过长期探索和研讨，笔者对实验方法进行了创新改进，并精心制作出性能良好的现代化实验装置。

1 设计目的与基本思路

1.1 设计目的

能明显观察到物体运动与视重变化的关系。

1.2 基本思路

（1） 用悬挂式弹簧振子的振动来演示物体上下的变速运动：悬挂式弹簧振子的运动包括向下加速（失重）和减速（超重）以及向上加速（超重）和减速（失重）4种不同的变速运动^［1］。

（2） 用可调线绕电阻调节电机运行速度，再由偏心轴带动连杆启动弹簧振子产生共振。

（3） 利用遥控系统控制电动机的运行。

（4） 将弹簧秤上体现出的视重变化利用杠杆原理转移到弹簧振子运动的相应位置。

（5） 利用弹簧振子的动力在该装置上设计物体做上下匀速运动的装置。

2 主要创新点

（1） 在实验方法上进行了改进：利用座式弹簧秤称量弹簧振子运动的视重变化。

（2） 排除外力干扰：利用遥控器控制内系统运动。

（3） 优化观察方法：利用杠杆原理将视重变化放大转移到弹簧振子运动的相应位置。

（4） 完善实验：利用弹簧振子的动力在该装置上设计了物体做上下匀速运动的装置。

3 设计制作

（1） 制作电机启动弹簧振子装置，装置结构见图1。

（2） 加装电动机遥控装置，装置电路原理见图2。

（3） 制作弹簧秤读数转移放大装置，装置结构见图3。

（4） 在电机启动弹簧振子装置上加设物体能匀速上下运动的装置，装置结构见图4。

（5） 整体组合装置见图5。

4 实验步骤

（1） 挂好弹簧与铁球，调整弹簧振子装置中的偏心轴，使之处于合起状态，打开装置的电源开关K，挂好弹簧与铁球。

（2） 用遥控器打开弹簧振子电源，调整弹簧振子装置中的电机调速电阻，使弹簧振子起振，用遥控器关闭弹簧振子电源。

（3） 将弹簧振子装置移到座式弹簧秤载物台上，连接好弹簧秤读数转移放大装置与座式弹簧秤，并调整好弹簧秤读数转移放大装置的高度，使两指针同时指于500 g处。

（4） 用遥控器启动弹簧振子电源，即可观察到弹簧振子起振后因视重变化带动弹簧秤读数转移放大装置中的指针摆动，同时可观察到指针摆动与弹簧振子铁球运动是同步的（即弹簧振子在平衡点上部运动包括向下加速和向上减速为失重，弹簧振子在平衡点下部运动包括向下减速和向上加速为超重），实验结果直观，效果明显。

（5） 用遥控器关闭弹簧振子电源，取下弹簧振子，将动力线卡在动力输出轴上，调整弹簧振子装置中的偏心轴，使之处于松开状态。

（6） 挂好铁球，用遥控器打开动力电源，铁球向上匀速运动，待铁球运动至顶端时用遥控器关闭动力电源；在铁球向上匀速运动的过程中弹簧秤读数转移放大装置中的指针未见摆动。

（7） 用遥控器打开反向动力电源，铁球向下匀速运动，待铁球运动至下底端时关闭反向动力电源。在运动过程中，弹簧秤读数转移放大装置中的指针未见摆动。

（8） 关闭电源开关K。

5 实验效果

实验过程操作简单，实验结果直观，效果明显，解决了物体运动与视重变化的关系这一实验重大难题。

6 自我评价

（1） 利用遥控器控制内系统运动，排除外力干扰，实验可信度高。

（2） 弹簧振子装置中的铁球上下变速运动与弹簧秤读数转移放大装置指针摆动位于同一观察平面，实验结果直观，效果明显；集观赏性、兴趣性、知识性于一体；便于学生分析记忆且印象深刻。

（3） 在同一装置中合理设计了变速运动与匀速运动，结果清晰明了。

（4） 此实验设计与装置既可用于教师演示实验，又可用于学生探究性实验。

参考文献

[1] 袁梓童.用弹簧测力计探究超重与失重［J］.发明与创新（中学生），2020（07）：28-29.