超重失重演示測力計制作*

周漢東

(江蘇省梁豐高級中學 江蘇 蘇州 215600)

用測力計演示超重、失重是最簡單直觀的方法，但實際操作時會遇到以下問題：因為手持測力計做變速運動時，學生很難準確及時觀察到指針位置的實時變化[1]，特別是自由下落和拋體運動過程中，學生根本來不及觀察到指針歸零(即完全失重)的現(xiàn)象.

針對這個問題，筆者設計了一款測力計，采用了“紅、藍、綠、黃”共4種顏色的LED燈，學生通過觀察發(fā)光顏色的變化，就能準確實時地觀察到“完全失重、失重、平衡、超重”共4種運動狀態(tài).

1 教具外觀及原理

圖1為教具實物外觀，圖2為教具原理示意圖.

圖1 教具外觀

圖2中的陰影部分就是粘貼在夾板上的銅箔膠帶，導電指針壓在銅箔膠帶上，4個LED燈直接焊接在膠帶上，電池、開關、銅箔膠帶、導電指針、LED發(fā)光管共同組成了閉合電路.

懸掛200 g砝碼時，導電指針穩(wěn)定在2 N附近的銅箔上，此時綠燈接入閉合電路而發(fā)出綠光，表明處于平衡狀態(tài).

如果測力計處于超重狀態(tài)，則導電指針會滑動到大于2 N的銅箔區(qū)域，則黃燈被接入閉合電路從而發(fā)出黃光.

如果測力計處于失重狀態(tài)(a

如果測力計處于完全失重狀態(tài)，則導電指針會滑動到零刻度線附近的銅箔區(qū)域，則紅燈被接入閉合電路從而發(fā)出紅光.

人眼對不同顏色的光非常敏感，所以當測力計做快速運動時(尤其是自由下落和拋體運動)，雖然學生無法準確觀察到指針位置，但可以通過觀察到的發(fā)光顏色來確定運動狀態(tài).

2 教具制作

2.1 制作主板

參考圖1，測力計主板采3 mm厚的美工夾板，可用激光切割機進行切割和開孔加工，具體尺寸可參考實驗室內的J2144(5 N)演示測力計.拆解一個網購的J2144演示測力計，把彈簧掛鉤組件拆出來，再安裝到美工夾板上.為了確保拉桿不會偏離滑槽，可切割一段水筆外殼獲取塑料管，讓拉桿穿過塑料套管，再用熱熔膠把套管固定在木板上[2].刻度線、刻度、相關文字，可用激光雕刻或者手繪實現(xiàn).

2.2 粘貼銅箔膠帶

在區(qū)域a處粘貼一條較長的銅箔膠帶，并延伸到圓片電池正極附近.

在區(qū)域b的零刻度處，粘貼一小段長度為1 cm的銅箔膠帶；在0.2～1.8 N范圍內粘貼一段較長的銅箔膠帶；在2 N處粘貼一小段長度為1 cm的銅箔膠帶；在2.2～5 N范圍內粘貼一段較長的銅箔膠帶.在區(qū)域c處粘貼一條較長的銅箔膠帶，并延伸到開關附近.

2.3 制作導電指針

在彈簧下端的直桿上，固定一段用粗銅線制作的導電指針，其長度要確保指針左右兩端剛好能接觸到刻度盤兩側的銅箔膠帶.讓導電指針適當彎曲，確保有一定的壓力和銅箔接觸.對指針兩端打磨并在銅箔上抹少量潤滑油，確保指針在銅箔上滑動阻力較小.

2.4 焊接電池 開關 LED燈

先用熱熔膠把一個按鍵開關固定在主板圖示位置，再把一個帶引腳的3 V圓片鋰電池(型號為CR2032)的正負極引腳，分別焊接銅箔和開關上.最后在圖示位置把4個顏色的LED燈的兩腳分別焊接在對應的銅箔上.

3 教具使用

手提測力計上端，下端掛鉤上放置一個200 g鉤碼，當測力計靜止或者勻速直線運動時，導電指針處于2 N 刻度附近，此時學生可觀察到綠燈亮，表明鉤碼處于平衡狀態(tài).

手提懸掛200 g鉤碼的測力計，當由靜止狀態(tài)突然向上運動，或者向下勻速運動過程中突然減速，導電指針處于2 N以下位置，此時學生可觀察到黃燈亮，表明鉤碼處于超重狀態(tài).

手提懸掛200 g鉤碼的測力計，當由靜止狀態(tài)突然向下運動，或者向上勻速運動過程中突然減速，導電指針處于2 N以上位置，此時學生可觀察到藍燈亮，表明鉤碼處于失重狀態(tài).

手提懸掛200 g鉤碼的測力計，當松手讓其自由下落，或者以較小的初速度拋出，導電指針處于零刻度線位置，此時學生可觀察到紅燈亮，表明鉤碼處于完全失重狀態(tài).