鄒愉 魏婉榮 羅立

摘要：中學(xué)階段對(duì)失重環(huán)境下力學(xué)問(wèn)題的教學(xué)往往限于利用牛頓定律進(jìn)行受力分析，抽象且枯燥[1]，學(xué)生很難理解和體會(huì)。本文提出的基于自由落體運(yùn)動(dòng)和智能手機(jī)的失重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，可將常見的力學(xué)模型在失重狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)手機(jī)無(wú)線投影直觀地展示出來(lái)，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)共享和精確分析。這種以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)并結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，可以供同行借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：失重，自由落體，平臺(tái)設(shè)計(jì)

一、引言

超重與失重是高中力學(xué)教中對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律的具體應(yīng)用，也是宇宙開發(fā)中面臨的重要內(nèi)容。教材[2]在課后“發(fā)展空間”引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)受力分析描述完全失重狀態(tài)下的天平測(cè)質(zhì)量、物體是否受浮力，水銀氣壓計(jì)測(cè)氣壓等情景。這些情境如果沒(méi)有實(shí)驗(yàn)演示會(huì)十分抽象[3]，對(duì)學(xué)生理解分析能力有較高要求，加大了學(xué)習(xí)難度。2013年6月20日中國(guó)航天員在天宮1號(hào)中面向中小學(xué)生開展太空授課，首次讓學(xué)生觀察到了在完全失重環(huán)境下物體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，極大的激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如圖1所示的單擺模型。但是，以航天器作為失重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)日常教學(xué)演示來(lái)講顯然是不現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)成本低廉，使用方便且可實(shí)時(shí)演示的失重實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)直觀向?qū)W生演示失重、超重條件下，常見力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)情況。

二、設(shè)計(jì)原理和思路

把系有彈性繩的物體在某一高度靜止釋放，到下落至最低點(diǎn)，物體的運(yùn)動(dòng)情況分析如下。若將該物體替換成一個(gè)封閉的空間，例如一個(gè)箱子。則該箱子即為失重平臺(tái)。我們可以將單擺、天平等力學(xué)模型放置在箱子里，在箱壁上固連一智能手機(jī)，結(jié)合Airplay功能，把視頻顯示在大屏幕電視上或網(wǎng)絡(luò)共享[4-5]，就可實(shí)時(shí)觀察分析這些力學(xué)模型在完全失重、失重、超重下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由支架、實(shí)驗(yàn)箱、控制系統(tǒng)和物理模型盒四部分構(gòu)成。

支架包含底座和帶有刻度可伸縮的豎直支架，可調(diào)節(jié)平臺(tái)的高度;在豎直支架頂端的水平支架中間有一掛鉤，四角設(shè)有電磁鐵。

實(shí)驗(yàn)箱頂部中間拴有彈性繩，彈性繩另一頭可懸掛于水平支架的掛鉤上;頂部四角設(shè)有與電磁鐵位置對(duì)應(yīng)的鐵片。實(shí)驗(yàn)箱側(cè)壁設(shè)有攝像頭和用于放置手機(jī)的手機(jī)卡槽;卡槽兩側(cè)均設(shè)有活動(dòng)卡片和壓縮彈簧以組成夾持結(jié)構(gòu)，能防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中手機(jī)滑出。實(shí)驗(yàn)箱底部設(shè)有四個(gè)卡槽，用于固定物理模型盒。

控制系統(tǒng)位于支架底座內(nèi)，包含視頻處理系統(tǒng)和電磁鐵控制系統(tǒng)。

物理模型盒是由透明材料制成的六面半封閉小盒，有單擺、天平、沙漏、浮塊四種物理模型，還可以根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)其他物理模型。

四、使用說(shuō)明

1、選擇一種物理模型盒固定在實(shí)驗(yàn)箱的底板上;

2、調(diào)節(jié)豎直支架到合適的高度，將牽引繩細(xì)繩端拴在掛鉤上，彈簧端與實(shí)驗(yàn)箱3固定;

3、通過(guò)電磁鐵，將實(shí)驗(yàn)箱吸附于水平支架上;打開視頻使攝像頭，或放置手機(jī)準(zhǔn)備錄制視屏;

4、斷開電磁鐵開關(guān)，實(shí)驗(yàn)箱自由下落;

5、可多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)視屏回看慢放分析。

五、 以失重狀態(tài)下的單擺模型為例的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[6]

六、拓展及小結(jié)

基于同樣的原理和實(shí)驗(yàn)方式，為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可以應(yīng)用于高度更高的平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)盒中安裝一個(gè)具備高速攝像功能的手機(jī)，攝像機(jī)開關(guān)可以通過(guò)重力感應(yīng)器控制，箱子上端系一橡皮筋組成的系統(tǒng)，柔繩另一端固定在天花板或者樓頂上。把實(shí)驗(yàn)器材放入實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，松開實(shí)驗(yàn)箱，手機(jī)內(nèi)置重力感應(yīng)器（定時(shí)器）打開攝像機(jī)開始錄像，用于觀察實(shí)驗(yàn)器材在完全失重下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)