超重、失重磁力演示装置的改进

贾 闯，彭朝阳

(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

超重、失重磁力演示装置的改进

贾 闯，彭朝阳

(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)

通过设计配重钢珠袋改进了超重、失重磁力演示装置，在向上和向下2个运动过程中实现拉力的自动化改变，利用异名磁极的相互作用，演示了物体的超重和失重现象.

超重；失重；磁力

超重、失重不是重力的增加或减少，而是物体对支持物的压力或悬挂物的拉力发生了变化，物体的重力依然存在且大小不变[1]. 在实际教学中，教师也设计和制作了大量的演示教具来帮助学生更好地学习和理解这部分内容. 常见的实验设计有“直接测量装置”、“液体压强计演示装置”[2]、“重物组演示装置”[3]、“磁力演示装置”[4]等. “磁力演示装置”相比于其他几种设计则较有新意，但仍存在可以改进之处.

1 设计背景

图1 常见磁力超失重演示器

常见的自制磁力“超失重演示器”如图1所示，主要由2个环形磁铁及可以封闭为矩形的材料(穿过环形磁铁)组成. 在演示超失重现象时，主要通过手动操作，以演示物体“向上运动”和“向下运动”时环形磁铁相对位置的变化来反映物体的超重和失重状态. 而物体本身的运动情况并没有直观呈现，无法清晰地揭示“向上加速”、“向上减速”、“向下加速”、“向下减速”这4种情况下物体本身的超重和失重状态. 学生很容易产生困惑，甚至于会行成“向上运动物体超重”、“向下运动物体失重”等错误的认知.

2 实验改进

2.1 制作材料

高为1.2 m的支架，20 cm长细木棒1根，内外直径分别为23.6 mm和16.8 mm、厚度为6.35 mm的小磁环2个，矿泉水瓶盖2个，轻质定滑轮2个，30 cm×30 cm减振软垫1块，塑料袋2个，钢珠和轻绳若干.

2.2 实验组装

超重失重演示实验改进装置如图2所示，将支架立于水平桌面上，支架顶部对称安装2个定滑轮，用细线穿过定滑轮，细线两端分别悬挂超失重演示装置和配重钢珠袋.

图2 超重、失重演示装置图

在1根20 cm长的细木棒上穿有2个保持一定间距的小磁环，由此构成“演示装置c”. 为防止磁铁碰撞损坏，在小磁环上分别罩2个钻孔的矿泉水瓶盖. 2个小磁环异名磁极相对，且F略小于摩擦力(无外力时相对静止). 整个装置水平悬挂于定滑轮左端细线尾部，并悬空于桌子外侧.

配重钢珠袋悬挂于定滑轮右端细线尾部，由2个钢珠袋a和b 组成：上部分为轻绳与钢珠袋a相连接，下方与一段较长的轻绳连接，轻绳末端再依次连接钢珠袋b. 2个钢珠袋内分别装有若干钢珠，其质量关系满足：ma

实验器材组装后的实物图如图3所示.

图3 超重、失重磁力演示装置实物图

2.3 实验操作

该实验通过演示装置2个小磁环的相对位置演示超重和失重现象. 实验开始前，演示装置悬空，2个小磁环异名磁极相对，调整适当间距使得小磁环保持静止. 右侧2个配重钢珠袋完全悬空，棉线处于绷紧状态，配重钢珠袋的有效质量为右侧2个钢珠袋质量的代数和.

此时配重钢珠袋有效质量略大于演示装置c的质量，释放右侧钢珠袋，演示装置c向上作加速运动. 当右侧棉线下所悬挂的钢珠袋b接触桌面的减振软垫并停止运动时，配重钢珠袋的有效质量减小为棉线以上钢珠袋a的质量，有效质量小于演示装置c质量，在一定时间内，演示装置c向上作减速运动.

当演示装置向上作减速运动且速度为零时，用手控制住钢珠袋，使整个装置停止运动，此时配重钢珠袋的有效质量小于演示装置质量. 重新调整适当间距使得小磁环保持静止，释放钢珠袋，演示装置向下作加速运动. 当该装置下降至右侧悬挂钢珠袋b的棉线处于紧绷状态后，配重钢珠袋的有效质量增加为2个钢珠袋质量的总和，且大于左侧装置的质量，此后一定时间内演示装置向下作减速运动.

需注意：这里所提到的配重钢珠袋的有效质量即穿过定滑轮，通过轻绳传递后真正作用于左侧演示装置的钢珠袋的质量.

3 实验分析

实验演示过程中超失重演示装置共有4种运动情况(如图4所示),分别为：向上加速、向上减速、向下加速、向下减速.

(a)向上加速 (b)各上减速 (c)向下加速 (d)向下减速图4 演示装置的4种运动情况

如图5所示，以左侧小磁环为研究对象，对其在水平和竖直2个方向上受力分析.

列出演示装置在这4种运动后，其加速度方向、轻绳的拉力F与演示装置重力G、磁环与木筷间的最大静摩擦力fmax与2个小磁环间吸引力F吸、磁环相对位置、演示装置状态分析的对比关系如表1所示.

图5 左侧小磁环在水平和竖直方向上的受力分析

运动情况a方向F与Gfmax与F吸磁环相对位置状态分析向上加速向上F>Gfmax>F吸原位置超重向上减速向下FGfmax>F吸原位置超重

4 结束语

利用磁力的原理设计实验，不同于传统的超重失重演示装置，实验材料简单、易得，成本低廉且组装方便. 配重钩码的设计较为新颖，可以自动化改变演示装置的受力，进而从物体本身的运动情况出发，有条理地呈现物体的超重和失重状态，避免学生将超重失重状态和物体的运动方向相混淆，培养了学生物理学习的实验素养. 演示装置可以较为直观地呈现失重现象，但演示超重现象时，小磁环保持静止，只能通过受力分析来进行解释，实验现象不明显，有待完善和改进.

[1] 王维. 超重与失重演示装置的改进[J]. 物理实验,2017,37(3):60-61.

[2] 孙永华. 对超重和失重演示实验的改进[J]. 物理实验,2005,25(4):34.

[3] 董刚. 基于“重物组”的超重失重演示实验的再改进[J]. 物理通报,2017,36(3):99-101.

[4] 王秀兰. 自制超失重演示器在物理实验教学中的应用[J]. 理科考试研究，2016,23(5):50.

Improvingmagneticforcedemonstrationdeviceforoverweightandweightlessness

JIA Chuang， PENG Zhao-yang

(School of Physics and Electronic Information， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China)

A counterweight steel balls were used in the magnetic-force demonstration device for overweight and weightlessness. In the up and down movement， tension could change automatically. By using the interaction between the opposite magnetic poles, the phenomena of overweight and weightlessness were demonstrated.

overweight; weightlessness; magnetic force

G633.7

B

1005-4642(2017)11-0059-03

2017-07-08

贾 闯(1993-)，男，陕西西安人，云南师范大学物理与电子信息学院2016级硕士研究生，研究方向物理课程与教学.

彭朝阳(1971-)，男，江西安福人，云南师范大学物理与电子信息学院教授，博士，研究方向物理课程教学和天体物理.

[责任编辑：尹冬梅]