鄧穎

摘 要：本文主要介紹了利用智能手機的慢動作攝像技術(shù)來觀察物體超重、失重狀態(tài)的一些特殊物理現(xiàn)象。利用平時用的整理箱和智能手機的慢動作攝像相結(jié)合，制作一個定滑輪支架，打造一個可以研究超重、失重現(xiàn)象的實驗平臺，可以進行超重、失重現(xiàn)象研究。

關(guān)鍵詞：智能手機；慢動作攝像；失重；超重；同屏顯示

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-046-3

在人教版必修一第四章第七節(jié)《超重與失重》部分的常規(guī)教學(xué)中，只能通過各種“巧妙”的實驗，讓學(xué)生“間接”感知超重和失重現(xiàn)象，學(xué)生不能直接觀察到超重、失重現(xiàn)象，增加了學(xué)生對物理概念的理解難度。特別是學(xué)生最感興趣的完全失重現(xiàn)象，一般只能播放一些太空里的視頻。考慮到新課程提出的“體驗探究，倡導(dǎo)創(chuàng)新”要求，筆者設(shè)計了創(chuàng)新實驗，做到超重與失重現(xiàn)象可視化，將轉(zhuǎn)“轉(zhuǎn)瞬即逝”的物理過程進行“慢放定格”，把太空艙里的完全失重實驗搬到地面上完成。

1 實驗器材制作以及技術(shù)支持

整理箱改造：將日常生活中常用的衣服整理箱內(nèi)部用膠水粘貼輕質(zhì)塑料條，用來固定手機。在下方側(cè)壁粘貼塑料泡沫板，起到支撐手機的作用。在底部放置大小合適的方木板，以防箱子被壓壞，如圖1所示。

滑輪支架設(shè)計：用長為2 m的方形空心管作為支撐，下方用鐵皮固定，上方安裝兩組4個定滑輪，在上方固定電磁鐵裝置用來研究物體自由下落時使用（如圖2所示）。

同屏幕顯示技術(shù)：蘋果手機的智能同屏幕顯示技術(shù)，基于無線網(wǎng)絡(luò)的支持。用手按住蘋果手機屏幕從下向上拉，有“屏幕鏡像”就是這個功能。需要在電腦上安裝iTools工具，將二者匹配后，此時手機屏幕上顯示的內(nèi)容就可以同步顯示到電腦屏幕上。

2 應(yīng)用智能手機的慢動作攝像功能和自制儀器開展系列實驗探究

2.1 在失重時磁鐵受力狀態(tài)變化探究

實驗器材：整理箱，多功能支架，方木板，兩個馬蹄形磁鐵，蘋果手機。

實驗步驟：將木板放入到整理箱里，磁鐵異名磁極相對，放置在木板上，讓二者距離適當(dāng)。打開手機的錄像慢動作功能，從靜止開始釋放整理箱?？刂普硐湎陆档母叨确乐棺矒舻街Ъ艿撞?。

實驗現(xiàn)象：靜止時兩個磁鐵保持一定的距離，如圖3（1）所示；在物體下落過程中兩個磁鐵吸引到一起了，如圖3（2）所示。

實驗原理：開始因為摩擦力的存在，兩塊磁鐵之間的吸引力小于等于靜摩擦力，二者均保持靜止。當(dāng)磁鐵下降時，處于失重狀態(tài)，磁鐵與木板之間的彈力減小，磁鐵與木板之間的最大靜摩擦力也減小，當(dāng)磁力大于最大靜摩擦力時磁鐵就被吸引到一起了。

2.2 超重與失重時火焰形態(tài)變化探究

實驗材料：整理箱，多功能支架，蠟燭，蠟臺，打火機，方木板，蘋果手機。

實驗步驟：將蠟燭點燃，在木板上滴幾滴蠟油用來固定蠟臺，然后將蠟燭固定在蠟臺上。點燃蠟燭，然后把整理箱密封，防止空氣流動對實驗結(jié)果造成影響。打開手機的錄像慢動作功能，將整理箱從靜止釋放，此時看到手機記錄了火焰的變化情況，然后控制整理箱停止。取出手機播放視頻就可以看到整個過程火焰的變化情況。

實驗現(xiàn)象：觀察到靜止時火焰作如圖4（1）所示；在開始下降后火焰變成接近球狀，如圖4（2）所示；然后，在靜止前瞬間火焰突然被拉長，如圖4（3）所示。

實驗原理：靜止時蠟燭燃燒是石蠟蒸汽燃燒，在氣體劇烈反應(yīng)發(fā)生的地方發(fā)光發(fā)熱十分明顯。隨著燃燒后熱氣體上升，周圍冷的氣體下降，空氣發(fā)生對流，從而形成圓錐狀的火焰。圓錐狀火焰也與重力有關(guān)，熱氣體的密度比冷氣體的輕，因此會向上升。與液體浮力類似，氣體的浮力也是氣體內(nèi)部壓力差造成的，在失重力情況下，蠟燭各個方向受到的氣體壓強對稱，所以火焰接近球狀。而在降落到地面瞬間，整體處于超重狀態(tài)，火焰內(nèi)部的石蠟蒸汽也變成超重上升，所以實驗觀察到火焰被拉長了。

2.3 在完全失重時單擺的運動變化探究

實驗材料：整理箱，方木板，蘋果手機，牛頓擺裝置，床單，5個同學(xué)。

實驗步驟：將牛頓擺的小球拆掉僅保留一個，使用雙線擺固定擺球。將整理箱搬到二樓，如圖5（1）所示。打開手機攝像，使小球開始做單擺運動，擺動不超過水平線，如圖5（2）所示。當(dāng)小球處于最低點附近釋放整個實驗裝置，做自由落體運動。下方4個同學(xué)拉開床單接住實驗裝置，防止裝置損壞。

實驗現(xiàn)象：靜止時小球做往復(fù)的單擺運動，當(dāng)整體處于完全失重時，小球繞中心對稱軸做圓周運動，如圖5（3）所示。

實驗原理：在靜止時小球做單擺運動受到重力和繩子的彈力兩個力作用，二者合力使小球做變速圓周運動。當(dāng)整體處于完全失重時，重力作用在小球上產(chǎn)生豎直向下的加速度。此時，以整理箱為參考系，小球做的是勻速圓周運動（空氣阻力忽略），繩子的彈力提供小球做圓周運動的向心力。

2.4 在完全失重時氣球的浮力變化探究

實驗材料：整理箱，多功能支架，方木板，直徑是30 cm、高度35 cm的圓柱形透明玻璃缸，氣球，橡皮筋，圓柱形砝碼，手機。

實驗步驟：將玻璃缸內(nèi)裝入適量的水，橡皮筋一端拴在砝碼上，另一端拴在吹大的氣球上，使氣球浸在水里，橡皮筋因為氣球向上的浮力而被拉長。將整個裝置放到多功能支架上面，打開手機進行慢動作錄像，從靜止釋放錄制整個實驗過程，然后停止錄像觀察實驗現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：發(fā)現(xiàn)在靜止時在氣球浮力和砝碼重力作用力下橡皮筋被拉長了。當(dāng)處于完全失重時，橡皮筋收縮，“浮力和重力仿佛都消失了”，橡皮筋將氣球和砝碼都拉到了一起，如圖6所示。

實驗原理：在完全失重時，整體受到重力產(chǎn)生向下的重力加速度。浮力產(chǎn)生的原因是因為物體各個方向受到液體的壓力差，完全失重時上層水對下層水沒有壓力，此時浮力消失了。在橡皮筋彈力作用下氣球被拉到水下，下方的砝碼被拉到上方。

2.5 在完全失重時水流的變化探究

實驗材料：蘋果手機，整理箱，多功能支架，方木板，純棉手巾，礦泉水瓶。

實驗步驟：打開手機的慢動作錄像功能，點擊開始錄像。在礦泉水瓶子中間位置扎一個小洞裝滿水，當(dāng)擰開上方蓋子時水會流出來。在下面墊上純棉手巾，流出的水會被手巾吸收。使整個裝置從靜止自由下落，手機會錄制整個實驗過程，實驗結(jié)束停止錄像，播放視頻觀看。

實驗現(xiàn)象：實驗發(fā)現(xiàn)在靜止時水流會從小孔流出，如圖7（1）所示；當(dāng)處于完全失重時，水流會停止流出，如圖7（2）所示。

實驗原理：在靜止時小孔上方的大氣壓強和水的高度差產(chǎn)生的壓強之和比孔外大氣壓強要大，孔內(nèi)部壓力大于孔外部壓力，所以水流從小孔向外流出。當(dāng)處于完全失重時，上層水對下層水沒有壓力，孔內(nèi)外的壓強都等于大氣壓強，所以孔內(nèi)外的壓力相等，水不再從小孔流出。

3 實驗創(chuàng)新點

（1）超重與失重現(xiàn)象可視化，利用手機的慢動作錄像結(jié)合同步攝像拍攝。

（2）實驗結(jié)果呈現(xiàn)實時化，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)+同屏幕顯示技術(shù)，可以將實驗同步在教室內(nèi)的投影儀內(nèi)實時顯示。

（3）同一個平臺多種實驗，以點帶面可以做多個實驗將知識進行整合。

（4）使用個人必備的智能手機做實驗，可以將生活與物理緊密聯(lián)系，培養(yǎng)科學(xué)探究精神和實驗設(shè)計能力。

編后記：本實驗最重要的創(chuàng)新是讓師生直接觀察并記錄，研究在一個加速（含減速）運動的參照系中的物理現(xiàn)象。通常物理實驗是在地面實驗室參照系中做的，牛頓與伽利略認(rèn)為牛頓力學(xué)定律在慣性參照系中才嚴(yán)格成立。由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，地面實驗室只是近似的慣性參考系。在加速參照系中運動的物體，除了受到通常的作用力（例如重力、壓力、摩擦力）之外，物體還會受到“慣性力”。在自由下落的加速參考系中，物體受到的慣性力大小等于重力，方向與重力方向相反。慣性力與重力的合力為零，物體處于失重狀態(tài)。建議讀者認(rèn)真學(xué)習(xí)趙凱華先生的著作[3]，可以更深入地掌握以上知識。

參考文獻：

[1]丁振武，張洪明.改進激光器 整合初中光學(xué)實驗[J].中學(xué)物理，34（12）：49-50.

[2]李柏濤，張洪明.利用生活物品演示靜電實驗[J].中學(xué)物理，2015，33（9）53-54.

[3]趙凱華，羅蔚英.新概念物理教程·力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1995（2002重?。?

（欄目編輯 王柏廬）