基于Phyphox軟件和麥克斯韋滾擺的超重與失重演示實驗設計引言物理教學離不開實驗，隨著新課改的要求，能自主設計實驗方案并自制教具進行中學物理教學，已經(jīng)成為眾多一線教師的共識[1]。實踐表明，對于效果明顯的教具，能有效完成物理問題的探究，對激發(fā)學生的學習興趣和提高學生的效率都能起到事半功倍的效果。合理的運用教具來開展物理實驗教學，在物理學科的教學中有非常重要的作用，它不僅對學生更好的理解相關物理概念、掌握相關物理規(guī)律有很大幫助，而且可以讓學生對物理的學習更加有興趣，學習的欲望得到增強，使他們的學習注意力更加集中[2-3]。因此我針對高中物理超重與失重的教學內(nèi)容，利用智能手機Phyphox軟件麥克斯韋滾擺，設計并制作出一種用于高中物理超重與失重實驗教學的演示儀。1.人教版高中物理教材中超重與失重的教學設計人教版高中物理課程標準實驗教科書必修一第四章第六節(jié)《超重和失重》教材中，對超重與失重的教學，主要是通過一些生活中的實例來進行描述，然后結合理論分析得出相關概念：通過人站在體重秤上向下蹲或向上站立的過程中，觀察體重秤的示數(shù)變化情況來引入超重與失重的思想，之后再結合牛頓第二定律的知識進行理論分析，概括得出超重和失重的定義，即物體對支持物的壓力小于物體所受的重力的現(xiàn)象叫失重現(xiàn)象，物體對支持物的壓力大于物體所受的重力的現(xiàn)象叫做超重現(xiàn)象。因此本節(jié)課教材上的內(nèi)容基本是基于生活中的實例體驗和理論分析得到，而教材中卻沒有設置對超重與失重現(xiàn)象的演示和實驗的分析，導致學生在學習這一節(jié)內(nèi)容時缺乏演示實驗的素材，學生較難弄得清楚超重與失重時加速度的朝向和速度的變化。在查閱文獻時也發(fā)現(xiàn)，關于超重與失重的實驗演示教學文獻較少，且在查詢到的文獻中，大多數(shù)是運用彈簧測力計的示數(shù)變化來展示超重與失重的現(xiàn)象，但通過彈簧測力計又有較大的誤差，導致數(shù)據(jù)并不準確。也有部分用麥克斯韋滾擺或液體壓強計等來展示超重與失重現(xiàn)象的。其中，運用麥克斯韋滾擺來設計的超重與失重的演示實驗，是通過麥克斯韋滾擺的滾動過程的超重與失重狀態(tài)結合彈簧測力計來演示，但是麥克斯韋滾擺實驗過程中，會因為麥克斯韋滾擺的瞬時性，很難觀察得到超重時和失重時的彈簧測力計的示數(shù)變化，而因為麥克斯韋滾擺滾動過程中彈簧測力計也會一直晃動加上人工讀數(shù)的不精準，會導致得出的結論與實際的結論有較大的誤差；其中，運用液體壓強計來設計的超重與失重的演示實驗，是運用定滑輪和U型管、砝碼設計，左盤連接U型管和一個一定質量的砝碼，右盤放上不同質量砝碼進行的實驗。當右盤的砝碼重于左盤變會加速下降，從而帶動左盤運動，U型管內(nèi)的液體出現(xiàn)差值從而演示超重失重。但是此種方法的實驗儀需要很高的氣密性，這也導致了實驗儀的材料不易獲取。并且此方法將超重與失重狀態(tài)轉化為U型管的液面差，不夠直觀，會讓學生產(chǎn)生疑惑，從而加大教學難度。2.超重與失重演示儀的設計與制作基于上述分析，本文綜合運用手機傳感器phyphox和麥克斯韋滾擺，對超重與失重的實驗方案做了一些改進，設計并制作了一種超重與失重演示儀，該演示儀可以用來定量的演示超重與失重的過程REF_Ref1969\r\h[1]。2.1超重與失重演示儀的設計根據(jù)對文獻中實驗方案的設計進行分析，若單純采用彈簧測力計和麥克斯韋滾擺所設計的方案進行物理教學，會因為麥克斯韋滾擺的瞬時性導致彈簧測力計讀數(shù)的不準確，從而使得到的結論會有偏差。因而，設計一種超重與失重演示儀，其原理圖如圖1所示。本文運用生活中常見的物品設計，將麥克斯韋滾擺與可動橫桿相連接，使麥克斯韋滾擺能夠自然滾動，為了測量麥克斯韋滾擺滾動過程的力的變化，在橫桿上掛上彈簧測力計，由于一個彈簧測力計并不能保證麥克斯韋滾擺的順利滾動，因而在相等距離處掛上第二個彈簧測力計，讓麥克斯韋滾擺處于平衡狀態(tài)并方便觀察和記錄彈簧測力計的示數(shù)。由于人眼讀的彈簧測力計會有誤差，所以為了解決這一個問題，在麥克斯韋滾擺橫桿位置處加上了手機傳感器，精確地測量麥克斯韋滾擺滾動過程中的加速度變化情況。從而準確的演示出超重與失重的現(xiàn)象。圖1超重與失重演示儀設計原理圖圖1超重與失重演示儀設計原理圖2.2超重與失重演示儀裝置的制作圖2超重與失重演示儀實物圖超重與失重演示儀的制作材料主要有：制作底座的長鋼板、制作框架的兩個鋼板柱和一個橫梁、兩個彈簧測力計，一個細橫板，一個麥克斯韋滾擺，兩根細線，手機傳感器，兩個掛鉤，雙面膠。超重與失重演示儀的制作中，關鍵部分在于中間的橫桿需要質量均勻且大小相等，并且彈簧測力計的受力點和麥克斯韋滾擺受力點要處于相等處。這樣才能保證實驗過程中彈簧測力計的受力能均勻分布使得彈簧測力計的示數(shù)變化相同和麥克斯韋滾擺能平穩(wěn)的滾動。用一塊長35cm，寬25cm的矩形鐵板作為底座，接著用兩根長2cm，寬2cm，高65cm的鋼板柱作為兩邊的支架，支架頂端再用一根長30cm，寬2cm，高2cm的鋼板柱進行連接，做成外邊框，在上面橫梁上左右各三分之一的位置打兩個孔放上掛鉤懸掛彈簧測力計，并在彈簧測力計下端放上一個長20cm的細橫板，在4cm，16cm處開兩個孔作為彈簧測力計的掛鉤孔，在5cm，15cm處開兩個孔進行麥克斯韋滾擺的連接。最后在橫梁中心處放上手機并用雙面膠固定。按照實驗的設計進行組裝，整個設計方案就是有一個簡單支架組裝而成的實驗教具，超重與失重演示儀實物圖如圖圖2超重與失重演示儀實物圖3.超重與失重演示儀的應用3.1實驗原理對超重與失重演示儀的原理分析，需要從麥克斯韋滾擺運動過程中的狀態(tài)的變化入手。具體來說，麥克斯韋滾擺在上下滾動的過程中，可以分為四個階段：第一階段為，當麥克斯韋滾擺由最高點下降的過程中，其受力分析圖圖3（A）所示。這個過程中麥克斯韋滾擺是順時針旋轉，角速度變大，質心的向下的速度也會對應的變大，質心的加速度方向也是向下，由牛頓第二定律可知，當加速度向下時，支持力是小于重力的。故物體此時是處于失重狀態(tài)，因此在這個過程中彈簧測力計的示數(shù)也會比原本的示數(shù)要小REF_Ref10384\r\h[1]。第二階段為，當麥克斯韋滾擺剛好達到最低點的時，其受力分析圖圖3（B）所示。這個過程中麥克斯韋滾擺的懸線過麥克斯韋滾擺的軸心，這個時候麥克斯韋滾擺沒有改變旋轉方向也是順時針轉動，這個時候質心水平速度向左，但是質心的豎直分速度會突然變成零，角速度變小，加速度反向，有向上的加速度。有牛頓第二定律可知，當加速度向上時支持力是大于重力的。故物體此時是處于超重狀態(tài)，因此在這個過程中彈簧測力計的示數(shù)也會比原本的示數(shù)要大PAGEREF_Ref10384\hREF_Ref10384\r\h[1]。第三階段為，當麥克斯韋滾擺向上運動的過程中，其受力分析圖圖3（C）所示。這個過程中麥克斯韋滾擺是順時針轉動，但是質心速度會越來越小，角速度變小，速度變小，說明是減速運動加速度方向，由牛頓第二定律可知，當加速度方向后，支持力是小于重力的，故物體此時是處于失重狀態(tài)，因此在這個過程中彈簧測力計的示數(shù)也會比原本的示數(shù)要小。第四階段為，當麥克斯韋滾擺上升到最高點時，其受力分析圖圖3（D）所示。整個裝置恢復成最開始的狀態(tài)，此時物體既不超重也不失重REF_Ref1969\r\h[1]。（（D）（C）（B）（A）圖3麥克斯韋滾擺運動過程受力分析圖TωmgTωmgTvωmgmgT3.2實驗操作在實驗前，先調節(jié)實超重與失重演示儀為水平狀態(tài)，然后檢查彈簧測力計的指針是否在零刻度線，之后在細橫板上掛上麥克斯韋滾擺，調節(jié)麥克斯韋滾擺位置并檢測麥克斯韋滾擺的擺線長度，調節(jié)長度為離地5cm-10cm處，最后用雙面膠將手機平穩(wěn)放在細橫梁上。等到整個裝置靜止時，記錄下靜止時彈簧測力計的示數(shù)。接著，把麥克斯韋滾擺的線緩慢向上卷起（不要讓線互相交叉不然下降時會產(chǎn)生晃動，影響實驗演示），然后把麥克斯韋滾擺的線卷到最上端后放下，讓麥克斯韋滾擺自然滾動我們記錄下彈簧測力計數(shù)值的變化情況，結合手機傳感器測出的加速度圖像再根據(jù)牛頓第二定律分析，便可以得出麥克斯韋滾擺滾動過程中的超重與失重狀態(tài)。超重與失重實驗演示儀實驗過程中，由于彈簧測力計的示數(shù)是一直在不斷地改變的，較難在對應的位置讀出準確的示數(shù)，所以演示過程中運用手機照相儀記錄實驗的整個過程，再通過現(xiàn)有手段對視頻進行逐幀分析，在視頻中找出最高點時、最低點時、上升過程中和下降過程中的彈簧測力計的示數(shù)大小，為了減小誤差多測量幾次得出平均值。由此得到最高點時、最低點時、向上運動過程中和向下運動過程中的拉力的平均大小，通過牛頓第二定律進行分析，最低點時、最高點時、向上運動過程中、向下運動過程中分別是處于超重、失重哪一個狀態(tài)，最后分析手機傳感器測出麥克斯韋滾擺滾動過程中的加速度變化圖像，對比彈簧測力計理論分析的結論是否吻合。4.超重與失重演示儀的實驗效果在實驗過程中，超重與失重演示儀處于超重與失重的狀態(tài)有三種情況，分別是下降過程，上升過程和最低點時。當麥克斯韋滾擺滾動到最高點時則是原本狀態(tài)，不超重也不失重。以麥克斯韋滾擺的運功過程作為研究對象對麥克斯韋滾擺的四個過程進行實驗研究，分別通過彈簧測力計對這四個過程進行拉力的大小的分析，并記錄在表1中，在進行多次測量得到平均值。表1超重與失重演示儀彈簧測力計示數(shù)次數(shù)靜止時拉力大小向下運動時拉力大小最低點時拉力大小向上運動時拉力大小最高點時拉力大小15.04.825.04.935.05.1平均值5.02.877.362.934.93通過對表1數(shù)據(jù)進行分析，當麥克斯韋滾擺在向下運動的時，彈簧測力計的示數(shù)明顯比靜止時的示數(shù)要小的多，拉力小于靜止時的拉力，此過程處于失重狀態(tài)。當麥克斯韋滾擺到達最低點時，彈簧測力計的示數(shù)明顯比靜止時的示數(shù)要大的多，拉力大于靜止時的拉力，此過程處于超重狀態(tài)。當麥克斯韋滾擺向上運動時，彈簧測力計的示數(shù)明顯比靜止時的示數(shù)要小的多且拉力的大小和向下運動時的拉力大小基本相同，拉力小于靜止時的拉力，此過程處于失重狀態(tài)。當麥克斯韋滾擺到達最高點時，彈簧測力計的示數(shù)與靜止時的示數(shù)基本相同，此時回復原本狀態(tài)。通過超重與失重演示儀上的手機傳感器phyphox測出在麥克斯韋滾擺運動過程中的加速度變化圖像，如圖4加速度變化圖。圖4加速度變化圖圖4加速度變化圖其中我們在加速度變化圖中取出加速度第一次振動的最低點和最高點，此時是超重和失重狀態(tài)最為明顯的兩個點。如圖加速變化取點圖圖5（A），此時麥克斯韋滾擺滾動到2.63956秒處，加速度為-5.48414米每二次方秒，由牛頓第二定律可知，此時麥克斯?jié)L擺處于超重狀態(tài)。如圖加速變化取點圖圖5（B），此時麥克斯韋滾擺滾動到2.79950秒處，加速度為5.38667米每二次方秒，有牛頓第二定律可知，此時麥克斯韋滾擺處于失重狀態(tài)。圖5加速度變化取點圖圖5加速度變化取點圖（A）（B）最后通過上述實驗數(shù)據(jù)和圖像分析，加速度變化圖像和彈簧測力計示數(shù)吻合，利用上述自主設計的超重與失重演示儀來演示超重失重的現(xiàn)象明顯。結束語在物理教學的過程中，離不開實驗教學。在教學中通過自主設計實驗，設計出的超重失重演示儀不僅可用于引入新課，創(chuàng)設物理情境，有效的激發(fā)學生學習物理的興趣，提高教學效果。同時，通過該實驗設計，能讓學生體會物理實驗與社會生活的聯(lián)系，有利于培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)和實驗創(chuàng)新思維。參考文獻應干華.麥克斯韋滾擺運動過程中的超重和失重現(xiàn)象研究[J].物理教學探討,2004(02):41-42.鄺繼來,紅紅.有關超重失重的定量定性演示實驗創(chuàng)新設計[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2022(10):30-32.DOI:10.13492/ki.cmee.2022.10.012.張晴.“超重和失重”演示實驗的改進與創(chuàng)新[J].中學物理教學參考,2021,50(08):46-48.李效祥.“超重和失重”的幾個演示實驗[J].物理教學探討,2006(15):56-57.彭雙才.關于“超重”和“失重”演示實驗的改進[J].物理教學,1991(03):39.黃朝陽,李德安.智能手機傳感器在中學物理教學中的應用綜述[J].物理通報,2022(10):158-161.賀豐源,周桐,王錦輝.基于PhyphoxApp利用手機磁傳感器研究耦合擺[J].大學物理實驗,2022,35(04):95-99.DOI:10.14139/22-1228.2022.04.020.宗伯虎.利用手機傳感器改進高中物理實驗的設計與教學研究[D].西南大學,2022.DOI:10.27684/ki.gxndx.2022.001461.顧培皓.智能手機傳感器在高中物理力學