自从人造卫星和宇宙飞船发射成功以来，人们经常谈到超重和失重现象。当人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器在加速上升阶段,其中的人和物体处于超重状态,他们对其下方物体的压力是其自身重力的几倍；而当航天器进入轨道后,其中的人和物体又处于完全失重状态,此时他们对其下方物将没有一点压力。物体在宇宙飞船中完全可以处于漂浮状态,而这在地球上是很难想象的事情。
其实,只要物体相对于地球有竖直向上的加速度时,就会产生超重现象；反之则会产生失重现象。应当指出,无论物体处于超重还是失重状态,地球作用于物体的重力始终存在,大小也没有发生变化,只是物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)发生了变化,看起来好像物体的重量有所增大或减小。我们如何用实验的手段来研究超重和失重现象呢?笔者用生活用品“沟卡板式”裤带为主要材料制作了一个超重、失重实验装置,实验效果很好。现将制作过程和使用方法介绍如下,以供同行参考。
1实验材料
木板(1.5×10×100cm)1块、弹簧(劲度系数为100N/m)1根、木拧圈2个、粗铁丝1根、沟卡板式裤带2条、木螺丝4个、指针1个、槽型铁片2个(如图1所示)、500g勾码1个、小木楔卡1个、胶(哥俩好)、铆钉等。
2制作方法
(1)在木板的一面画上相等的刻度线。
(2)在木板的一端用木拧圈将弹簧及其指针固定好。
(3)固定裤带卡取两条裤带卡,用A、B胶(哥俩好)将带孔的槽型铁片分别固定在两个裤带卡的上表面(如图2所示)。
(4)将带有槽型铁片的裤带卡用木螺丝固定在木板上(如图3所示),其中上方裤带卡的卡片方向向上,下方裤带卡的卡片方向向下。
(5)分别将两条沟卡板式裤带的沟卡板部分用剪刀剪掉,让沟卡方向相反,然后用铆钉牢固地连接到一起(如图4、图3、图4所示)。
(6)将倒顺沟卡板的两端分别从木板上的两个裤带卡内穿过,并使带倒顺沟卡的裤带板上的卡棱与裤带卡的卡片方向相吻合。
(7)将带倒顺沟卡的裤带板的上方与木板上的弹簧固定在一起,下方与木拧圈内的粗铁钩固定在一起,这样一个超重、失重演示实验装置就制作成功了(如图5所示)。
3实验方法
3.1超重实验
①将上方裤带卡上的卡控扭用小木楔卡住(如图6所示)(使卡片不起作用)。
②在粗铁钩上悬挂一个质量为500g的勾码,此时弹簧下拉,指针指向某一刻度。
③用手握住木板用力加速上提,此时弹簧突然伸长,带倒顺沟卡的裤带板下移,停止后被下方的裤带卡内的卡片卡住,可观察到指针又下滑到某一刻度,由此说明,当系统加速上升时,物体对弹簧的拉力大于了自身的重力,即产生了超重现象。
3.2失重实验
①将上方裤带卡上的卡控扭的小木楔卡取下。放在下方裤带卡上的卡控扭下方将其卡住(使卡片不起作用)。
②在粗铁钩上悬挂一个质量为50g的勾码。
③将上方裤带卡上的卡控扭用手指上扳,使弹簧自然伸长,系统稳定后放开手指,此时弹簧下的指针指向某一刻度。
④用手握住木板迅速加速下移系统,此时弹簧突然缩短,带倒顺沟卡的裤带板上移,停止后被上方的裤带卡内的卡片卡住,可观察到指针又上移到某一刻度,由此说明,当系统加速下降时,物体对弹簧的拉力小于了自身的重力,即产生了失重现象。
4实验说明
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