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1、人教版高一物理必修1备课资料7用牛顿定律解决问题(二) 一、观察失重现象的实验1.用螺帽观察失重现象用细绳两端分别系着一个螺帽,拿着其中一个螺帽,可观察到由于另一螺帽的重力,细绳被拉紧.放手让螺帽自由释放,两螺帽处于完全失重状态,即可观察到绳子不再被拉直.2.用冰淇淋纸杯做失重实验如图4-7-13,把两个金属螺母(M10-12毫米)拴在一根橡皮筋的两端,再把橡皮筋的中点用一短绳固定在冰淇淋纸盒(或铁罐)底部正中,让螺母挂在空盒的口边上.图4-7-13实验时让空盒从约2 m的高处自由下落,你会发现螺母被橡皮筋拉回盒中,并发出“咔哒”的撞击声.请你试一试,并思考下列问题:(1)为什么下落时,螺母会
2、被拉入到盒内?(2)在空盒放手后的初始阶段,螺母是否以重力加速度g自由下落?(3)放手后,空盘是否以重力加速度g下落?3.用手电筒做超重、失重实验将手电筒竖直向上放置,打开开关,旋松后盖使小电珠恰能点亮.实验时手持电筒,保持它在竖直方向,突然向上运动,你会看到小电珠熄灭.如果使上述电筒的后盖稍许再旋松一点,直至小电珠刚刚熄灭,然后手持手电筒突然向下运动,小电珠就会点亮.4.用薄纸和重物演示失重如图4-7-14所示,在一个平板C上放一个较重(不小于500 g)的重物P,把一张薄纸条A的一端压在重物和平板之间,纸条尽量薄并且不结实.一只手把纸条的一端按牢在桌子B上,另一只手托住平板C.第一次用手托
3、平板和重物慢慢下降,纸条被拉紧,接着就断裂.第二次,同样的纸条,仍像第一次那样,纸条的一端用手压牢在桌子上,另一端压在重物P下,手突然放开,使平板和重物同时自由下落,可以看到,纸条完好如初,这是因为自由落下的重物不受平板的支持力,重物对平板的压力也为0,所以纸条受到的摩擦力也为0了,因此纸条可以顺利抽出.图4-7-14二、超重与失重的实验测定1.实验装置如图4-7-15所示,让重物在平衡位置O处上下做简谐运动.当重物在OC段运动时,具有向下的加速度a,由支架、重物和弹簧组成的系统处于失重状态.此时系统对电子秤的压力小于系统的重力,回复力F即为“失去”的重力,失重的时间为T/2.在C处失重现象最
4、明显.当重物在BO段运动时,具有向上的加速度a,由支架、重物和弹簧组成的系统处于超重状态.此时系统对电子秤的压力大于系统重力,回复力F即为“超出”静止时系统的重力,超重时间为T/2.在B处超重现象最明显. 图4-7-15 图4-7-162.实验装置如图4-7-16所示,用薄三合板自制一个斜面(稍长些),放置在电子秤上,把一小车通过细线固定在斜面上端,如图所示.待装置静止时观察电子秤示数,再烧断系住小车的细线,小车将沿斜面匀加速下滑,这时可观察到电子秤示数变小.只要斜面足够长,便可以看到电子秤示数有片刻停顿即可记录.三、完全失重情况下的一些物理现象人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器进入轨道
5、后,其中的人和物将处于失重状态.航天器进入轨道后可以近似绕地球做圆周运动,做圆周运动的物体的速度方向是时刻改变的,因而具有加速度,它的大小等于卫星所在高度处的重力加速度.这跟在以重力加速度下降的升降机中发生的情况类似,航天器中的人和物都处于完全失重状态.你能够想象出失重的条件下会发生什么现象吗?你设想地球上一旦重力消失,会发生什么现象,在宇宙飞船中就会发生这样的现象.物体将飘在空中,液滴呈绝对球形,气泡在液体中将不再上浮.宇航员站着睡觉和躺着睡觉一样舒服,走路务必小心,稍有不慎,将“上不着天,下不着地”,食物要做成块状或牙膏似的糊状,以免食物的碎渣 “漂浮”在空中,进入宇航员的眼睛、鼻子,你还
6、可以继续发挥你的想象力,举出更多的现象来.你还可以再想一想,人类能够利用失重的条件做些什么?下面举几个事例,将会帮助你思考.这里所举的事例虽然还没实现,但科学家们正在努力探索,也许不久的将来就会实现.在失重的条件下,熔化了的金属的液滴,形状呈绝对球形,冷却后可以成为理想的滚珠.而在地面上,用现代技术制成的滚珠并不呈绝对球形,这是造成轴承磨损的重要原因之一.玻璃纤维(一种很细的玻璃丝,直径为几十微米),是现代光纤通信的主要部件.在地面上不可能制成很长的玻璃纤维,因为液态的玻璃丝凝固时,由于重力的作用,它将被拉成小段.而在太空的轨道上,将可以制造出几百米长的玻璃纤维.在太空的轨道上,可以制成一种新
7、的泡沫材料泡沫金属.在失重条件下,在液态的金属中通以气体,气泡将不“上浮”,也不“下沉”,均匀地分布在液态金属中,凝固后就成为泡沫金属,这样可以制成轻得像软木塞似的泡沫钢,用它做机翼,又轻又结实.同样的道理,在失重的条件下,混合物可以均匀地混合,由此可以制成地面上不能得到的特种合金.电子工业、化学工业、核工业等部门,对高纯度材料的需要不断增加,其纯度要求为“6个9”至“8个9”,即99.999 9%99.999 999%.在地面上,冶炼金属需在容器内进行,总会有一些容器的微量元素掺入到被冶炼的金属中.而在太空中“悬浮冶炼”,是在失重条件下进行的,不需要用容器,消除了容器对材料的污染,可以获得纯度极高的产品.在电子技术中所用的晶体,在地面上生长时,由于受重力的影响,晶体的大小受到限制,而且要受到容器的污染,在失重条件下,晶体的生长是均匀的,生长出来的晶体也要大得多.在不久的将来,如能在太空建立起工厂,生产出砷化镓的纯晶体,比现有的硅晶体优越得多,将会引起电子技术的重大突破.