自制彈簧進(jìn)行多個(gè)探究性實(shí)驗(yàn) 1 問(wèn)題的提出 高中物理教材中有“探索彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”的探索性實(shí)驗(yàn)和“研究彈簧振子的周期和小球的質(zhì)量的關(guān)系”的研究課題。我們組織學(xué)生對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索與研究，利用實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都不甚理想。 在“探索彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，我們將最大測(cè)量范圍為4 .9N的彈簧秤的彈簧拆下來(lái)作為研究的對(duì)象，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)小組勁度系數(shù)的測(cè)量誤差都在8%左右，而且都有隨著彈力增大，勁度系數(shù)減小的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與胡克定律相差太大，不能令人信服。究其原因，主要是彈簧的勁度系數(shù)太大，改變力的大小時(shí)彈黃發(fā)生的形變量較小，使彈簧長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差。如果用這樣的彈簧進(jìn)行“彈簧振子的周期和小球的質(zhì)量的關(guān)系研究”的實(shí)驗(yàn)，同樣也是由于彈簧的勁度系數(shù)太大，使彈簧振子的振動(dòng)周期較短，實(shí)驗(yàn)中數(shù)振子的全振動(dòng)次數(shù)時(shí)，很容易發(fā)生差錯(cuò)。 這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要的彈簧，一般的實(shí)驗(yàn)室都還沒(méi)有配備，市場(chǎng)上也很難找到。如果要自己制作一條合適的彈簧，需要細(xì)鋼絲，請(qǐng)人加工或者自己繞制都有一定的困難。在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)卷繞著的電爐絲就是一條彈簧，能否用它來(lái)完成這兩個(gè)探索性實(shí)驗(yàn)?zāi)?/SPAN>? 2 彈簧的制作 我們?nèi)∫粭l“220V 500W”的電爐絲，發(fā)現(xiàn)掛上質(zhì)量為 50g 的鉤碼時(shí)彈簧并沒(méi)有伸長(zhǎng)。究其原因，是因?yàn)殡姞t絲本身就有收縮形變。而掛質(zhì)量大一些的鉤碼，彈簧拉得稍長(zhǎng)一些，撤去鉤碼后彈簧就不能恢復(fù)原長(zhǎng)，這是由于電爐絲的材料并不是鋼性材料，彈性形變的范圍很小，顯然不能直接用電爐絲來(lái)完成實(shí)驗(yàn)。要使電爐絲具有彈簧的彈性，需要對(duì)電爐絲進(jìn)行熱處理。 為了消除電爐絲原先的收縮形變，增強(qiáng)電爐絲的彈性，為此我們專(zhuān)門(mén)請(qǐng)教了五金加工的師傅，了解了用“退火”和“淬火”的方法可以解決“收縮形變”和“增強(qiáng)鋼性”的問(wèn)題。具體的操作步驟是： (l)將電爐絲兩端彎成兩個(gè)圓圈，實(shí)驗(yàn)時(shí)一個(gè)圓圈用于將電爐絲懸掛在鐵架臺(tái)的橫桿上，另一個(gè)圓圈用來(lái)懸掛鉤碼。 (2)在小木棒上釘2枚鐵釘，2枚鐵釘間的距離比電爐絲長(zhǎng)度大3crn，2枚鐵釘分別連接2條導(dǎo)線(xiàn)，接上插頭。 (3)將電爐絲拉長(zhǎng)套在鐵釘上，使各圈電爐絲都不彼此接觸。 (4)接通220V電源，進(jìn)行“退火”處理，當(dāng)電爐絲發(fā)紅時(shí)切斷電源，然后馬上將電爐絲浸人冷水中，進(jìn)行“淬火”處理。經(jīng)過(guò)這樣“退火”、“淬火”處理后，電爐絲就成了一條彈性理想的細(xì)彈簧了。 3 探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系 用自己制作的彈簧進(jìn)行“探究彈力和彈黃伸長(zhǎng)的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了拓寬學(xué)生的思路，在器材的選用上要盡量利用生活中的一些物品，避免一提到質(zhì)量相等就想到鉤碼，一說(shuō)到彈力就想到彈簧秤。我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生采用同一型號(hào)的玻璃球或小鋼珠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)比較合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 在毫米刻度的米尺上釘一枚鐵釘，將彈簧懸掛在鐵釘上，彈簧下端掛一只質(zhì)量可以忽略的塑料袋，測(cè)出彈簧的原長(zhǎng)L0。在塑料袋中裝人玻璃球，記錄塑料袋中玻璃球的數(shù)目，測(cè)出塑料袋靜止時(shí)彈簧的實(shí)際長(zhǎng)度L，改變玻璃球的數(shù)目進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，研究彈力和彈簧伸長(zhǎng)長(zhǎng)度間的關(guān)系。我們選擇了一個(gè)小組的研究成果，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。數(shù)據(jù)處理如圖1所示。 實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差大約1 .3%，誤差小的主要原因是彈簧形變量可達(dá) 40cm 多，長(zhǎng)度側(cè)量時(shí)的相對(duì)誤差較減小。 4 探索彈簧振子的周期和質(zhì)量關(guān)系 用自制彈簧進(jìn)行“彈簧振子的周期和質(zhì)量關(guān)系”課題研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)將彈簧豎直懸掛起來(lái)，彈簧下端懸掛一只質(zhì)量可以忽略的塑料袋，在塑料袋中裝人玻璃球，記錄塑料袋中玻璃球的數(shù)目，讓塑料袋和玻璃球上下振動(dòng)，測(cè)出多次全振動(dòng)的時(shí)間t，計(jì)算振動(dòng)的周期T，改變玻瑞球的數(shù)目進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表2所示，彈簧振子的質(zhì)量和周期的關(guān)系圖如圖2所示。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差大約只有0 .2%。原因在于用這樣的彈簧進(jìn)行振動(dòng)的研究時(shí)，有效避免了一般的彈簧振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的扭動(dòng)現(xiàn)象，而且全振動(dòng)次數(shù)多達(dá)50次也未見(jiàn)振幅明顯減小，這樣周期測(cè)量的精確度就大大提高了。 5 研究復(fù)合振動(dòng)的特殊現(xiàn)象 在“彈簧振子的周期和質(zhì)量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，有些學(xué)生發(fā)現(xiàn)，當(dāng)塑料袋中裝入特定個(gè)數(shù)的玻璃球時(shí)，塑料袋和玻璃球的上下振動(dòng)和左右擺動(dòng)交替轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，使周期的測(cè)量比較困難。針對(duì)這種意料之外的特殊現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入研究。當(dāng)塑料袋中裝入特定個(gè)數(shù)的玻璃球時(shí)，測(cè)定彈簧懸掛點(diǎn)到玻璃球重心的距離，以此為擺長(zhǎng)制作一個(gè)單擺，測(cè)量單擺的周期。再?gòu)膹椈烧褡拥馁|(zhì)量和周期的關(guān)系實(shí)驗(yàn)圖線(xiàn)中查找特定個(gè)數(shù)玻璃球時(shí)的周期，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)周期相當(dāng)接近。也就是說(shuō)由玻璃球質(zhì)量和彈簧的勁度系數(shù)決定的振動(dòng)頻率剛好跟由彈簧和塑料袋長(zhǎng)度決定的擺動(dòng)頻率相等，發(fā)生了一種特殊的共振現(xiàn)象。 6 探究彈簧的彈性勢(shì)能 彈簧發(fā)生形變時(shí)具有彈性勢(shì)能，形變量越大彈性勢(shì)能也越大，彈性勢(shì)能與形變量之間有什么定量關(guān)系呢?能量的變化量可以用功來(lái)表示，但由于橡皮筋的彈力隨形變量的變化而變化，高中階段學(xué)生無(wú)法計(jì)算變力做的功，所以必須將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功。用自制的彈簧可以進(jìn)行探究。 在豎直墻壁上釘一枚鐵釘，彈簧一端懸掛在鐵釘上，另一端系一條細(xì)線(xiàn)，細(xì)線(xiàn)另一端懸掛一個(gè)重物。確定彈簧自然長(zhǎng)度時(shí)下端的位置。將重物向下拉到某位置，測(cè)量彈簧的伸長(zhǎng)量x，記下小鋼球的初位置。放手后觀(guān)察重物向上運(yùn)動(dòng)的情況，記下重物上升的最高點(diǎn)，測(cè)量重物上升的離度h。獲得一組x、h數(shù)據(jù)。將重物拉到不同位置放手，可以獲得彈簧各種伸長(zhǎng)量x時(shí)重物上升的高度h，這樣獲得多組x、h數(shù)據(jù)。 重物上升的高度，對(duì)應(yīng)重物克服重力做的功，由于是無(wú)初速度釋放重物，而重物上升到最高點(diǎn)時(shí)速度也為零，所以彈力做的功等于重物克服重力做的功。橡皮筋形變量為x時(shí)的彈性勢(shì)能等于mgh，分析x與h之間的關(guān)系，也就可以分析橡皮筋的彈性勢(shì)能與形變x之間的關(guān)系。分析實(shí)驗(yàn)測(cè)得的與數(shù)據(jù)，試圖獲得的x與h之間的定量關(guān)系，最好用圖象法進(jìn)行處理。 用電阻絲制作“彈簧”，使學(xué)生獲得了親身體驗(yàn)，特別是“退火”、“淬火”過(guò)程對(duì)改變彈簧的彈性所起的作用，有的同學(xué)為此還專(zhuān)門(mén)向五金師傅和技術(shù)專(zhuān)家請(qǐng)教“退火”、“淬火”在金屬加工中的作用。通過(guò)上述探究性實(shí)驗(yàn)的研究活動(dòng)，使我們感到：(1)探究性實(shí)驗(yàn)改變了我們的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到在高中階段開(kāi)展探究性實(shí)驗(yàn)的可行性。(2)探究性實(shí)驗(yàn)開(kāi)拓了我們教學(xué)范圍和研究視野，在應(yīng)用已學(xué)知識(shí)的同時(shí)，根據(jù)需要選取實(shí)驗(yàn)器材，乃至自己設(shè)計(jì)、制作與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材。(3)探究性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生走進(jìn)了社會(huì)，了解一些生產(chǎn)技術(shù)，使知識(shí)與應(yīng)用、知識(shí)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合。 自制演示游標(biāo)卡尺 “長(zhǎng)度的測(cè)量”是高一物理的第一個(gè)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求掌握游標(biāo)卡尺的使用和讀數(shù)方法，在“用單擺測(cè)定重力加速度”一節(jié)中，也要用游標(biāo)卡尺測(cè)量擺球的直徑。教學(xué)中，盡 管 老師花費(fèi)大量的時(shí)間教學(xué)游標(biāo)卡尺的構(gòu)造、原理、使用和讀數(shù)方法，但仍有些學(xué)生不能正確掌握。問(wèn)題主要在 于 老師所演示的實(shí)物游標(biāo)卡尺和模型的分度值太小，學(xué)生無(wú)法看清刻度線(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生難于理解游標(biāo)卡尺的原理和讀數(shù)方法。針對(duì)這一問(wèn)題，我們自制了一種分度值是游標(biāo)卡尺的40倍，并能在黑板上演示的“演示游標(biāo)卡尺”，在教學(xué)中取得了很好的效果。在此做一介紹。 1 制作材料 規(guī)格為 59mm 和 39mm 的PVC 線(xiàn)槽板各1 根(電工敷設(shè)線(xiàn)路用材)，有機(jī)板、磁片(市售張貼掛圖、報(bào)紙用的磁片)、單芯紅色膠皮導(dǎo)線(xiàn)(直徑 1mm )、單芯黑色膠皮鋁線(xiàn)等。 2 裝置結(jié)構(gòu) 如圖1所示，“演示游標(biāo)卡尺”主要由固定內(nèi)外測(cè)量爪1、帶可動(dòng)外測(cè)量爪的游標(biāo)尺2、可動(dòng)內(nèi)測(cè)量爪3 和主尺4 等部分組成。 3 制作方法 (1) 主尺的制作 取規(guī)格為寬 59mm 、長(zhǎng) 1500mm 的PVC 線(xiàn)槽板1 根(去除底板) ，用錐尖在線(xiàn)槽板的上下端邊緣上每隔 40mm 各鉆一小孔，每條邊緣鉆33 個(gè)小孔，然后用紅色膠皮導(dǎo)線(xiàn)從線(xiàn)槽板底面一端的下邊第1 個(gè)小孔穿向表面，再?gòu)木€(xiàn)槽板表面上邊與之對(duì)應(yīng)的小孔穿回底面(拉緊導(dǎo)線(xiàn)后，導(dǎo)線(xiàn)在線(xiàn)槽板的表面上便成“0”刻度線(xiàn)) ，底面上邊拉出的線(xiàn)頭再?gòu)牡酌嫔线叺牡?/SPAN>2 個(gè)小孔穿向表面，然后從線(xiàn)槽板表面下邊與之對(duì)應(yīng)的第2 個(gè)小孔穿回底面(拉緊導(dǎo)線(xiàn)后，導(dǎo)線(xiàn)在線(xiàn)槽板的表面上便成“1mm”刻度線(xiàn)) 。以此方法把導(dǎo)線(xiàn)順次穿過(guò)其他小孔后，拉緊導(dǎo)線(xiàn)并把導(dǎo)線(xiàn)的兩個(gè)線(xiàn)頭打結(jié)固定在線(xiàn)槽板底面上。這樣穿過(guò)小孔的導(dǎo)線(xiàn)在線(xiàn)槽板的表面上便形成33 根刻度線(xiàn)和32 條等分格，每一等分格代表“1 mm”(其實(shí)際長(zhǎng)度為 40 mm ，是游標(biāo)卡尺主尺分度值的40 倍) ，線(xiàn)槽板底面的導(dǎo)線(xiàn)全部嵌入淺槽里(線(xiàn)槽板底面上下邊均有淺槽)。把黑色膠皮鋁線(xiàn)做成數(shù)字和字母(也可書(shū)寫(xiě)) ，用熱熔膠把數(shù)字粘貼在刻度線(xiàn)旁，單位“cm”粘貼在末端空白處，如圖中“4”所示。為了能使主尺吸附在磁性黑板上(目前大部分學(xué)校都已使用鐵質(zhì)黑板) ，把5枚磁片(去除塑料外殼) 分別用熱熔膠粘貼在線(xiàn)槽板底面的適當(dāng)位置上，演示時(shí)把線(xiàn)槽板底面貼在黑板上即可固定。 (2) 游標(biāo)尺的制作 取規(guī)格為寬 39mm 、長(zhǎng) 500mm 的PVC 線(xiàn)槽板1根，按照主尺的“刻度”方法制成10 分度的游標(biāo)尺。游標(biāo)尺上10 分度的總長(zhǎng)度跟主尺9 個(gè)分度格的總長(zhǎng)度相等，實(shí)際長(zhǎng)度為 360mm ，所以游標(biāo)尺上每一分度的實(shí)際長(zhǎng)度為 36mm (用最小分度為毫米的有機(jī)片刻度尺進(jìn)行準(zhǔn)確刻度) 。我們把主尺每一分度當(dāng)作 1mm ，則游標(biāo)尺上每一分度就是 019mm ，所以其準(zhǔn)確度就為 011mm 。把2 枚磁片分別用熱熔膠粘貼在游標(biāo)尺底面的適當(dāng)位置上，演示時(shí)使其能吸附在黑板上。把有機(jī)板(也可用鐵皮、紙板) 裁剪成梯形外測(cè)量爪，用透明膠帶紙把它固定在游標(biāo)尺的左端，如圖中“2”所示，在移動(dòng)游標(biāo)尺時(shí)，外測(cè)量爪跟隨游標(biāo)尺同步移動(dòng)。 與制作10 分度游標(biāo)尺的方法一樣，再制作1把20 分度的游標(biāo)尺。20 分度的總長(zhǎng)度跟主尺19個(gè)分度格的總長(zhǎng)度相等，實(shí)際長(zhǎng)度為 760mm ，所以游標(biāo)尺上每一分度的實(shí)際長(zhǎng)度為 38mm 。我們把主尺每一分度當(dāng)作 1mm ，則游標(biāo)尺上每一分度就是 0195mm ，所以其準(zhǔn)確度就為 0105mm 。根據(jù)教學(xué)情況還可制作總長(zhǎng)度為 760mm 的10 分度的游標(biāo)尺(準(zhǔn)確度為 011mm ) 。 (3) 固定內(nèi)外測(cè)量爪的制作 把有機(jī)板(也可用鐵皮、紙板) 裁剪成圖中“1”所示的內(nèi)外測(cè)量爪，演示時(shí)用透明膠帶紙把它固定在黑板上。 (4) 可動(dòng)內(nèi)測(cè)量爪的制作 把有機(jī)板(也可用鐵皮、紙板) 裁剪成圖中“3”所示的內(nèi)測(cè)量爪，其底面用熱熔膠粘貼1 枚磁片，演示時(shí)使其能吸附在黑板上，并能隨意移動(dòng)。 4 演示方法 ①把主尺吸附在黑板上，游標(biāo)尺吸附在主尺下方，調(diào)整游標(biāo)尺的位置，使游標(biāo)尺的“0”刻度線(xiàn)跟主尺的“0”刻度線(xiàn)對(duì)齊，用透明膠帶把“固定內(nèi)外測(cè)量爪”粘在主尺左邊(固定內(nèi)外測(cè)量爪的邊線(xiàn)跟游標(biāo)尺上可動(dòng)外測(cè)量爪的邊線(xiàn)重合) ，“可動(dòng)內(nèi)測(cè)量爪”吸附在主尺的上方。主尺和固定內(nèi)外測(cè)量爪在黑板上固定不動(dòng)，游標(biāo)尺和可動(dòng)內(nèi)測(cè)量爪可沿主尺左右移動(dòng)，如圖1 所示。 ②結(jié)合實(shí)物和演示游標(biāo)卡尺介紹游標(biāo)卡尺的構(gòu)造(各部分名稱(chēng)) ，并通過(guò)實(shí)物游標(biāo)卡尺的演示，讓學(xué)生知道可動(dòng)內(nèi)、外測(cè)量爪、深度尺和游標(biāo)尺是連成整體的，它們跟隨游標(biāo)尺沿主尺同步移動(dòng)。在“演示游標(biāo)卡尺”中，考慮到制作難度，未設(shè)計(jì)、制作有深度尺，可動(dòng)內(nèi)測(cè)量爪也不能跟隨游標(biāo)尺同步移動(dòng)，但可手動(dòng)。 ③可演示游標(biāo)卡尺的原理和讀數(shù)方法。把“演示游標(biāo)卡尺”主尺上的分度值當(dāng)作“1mm”，分別用10 分度和20 分度的游標(biāo)尺進(jìn)行演示教學(xué)，由于分度值放大了40 倍，全班學(xué)生都能看清刻度線(xiàn)，利于學(xué)生理解游標(biāo)卡尺的原理和讀數(shù)方法。再通過(guò)移動(dòng)游標(biāo)尺的位置來(lái)訓(xùn)練、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)讀數(shù)方法的掌握。 ④視教學(xué)情況的需要，可用“演示游標(biāo)卡尺”演示有“0誤差”的讀數(shù)方法。先使游標(biāo)尺上的可動(dòng)外測(cè)量爪跟固定外測(cè)量爪的邊線(xiàn)重合，再移動(dòng)主尺，使主尺的“0”刻度線(xiàn)在游標(biāo)尺“0”刻度線(xiàn)的左邊或右邊，然后教學(xué)演示“0誤差”的讀數(shù)方法。 ⑤用實(shí)物游標(biāo)卡尺演示長(zhǎng)度，內(nèi)、外徑和深度的測(cè)量方法。 小實(shí)驗(yàn)：受迫振動(dòng) 實(shí)驗(yàn)器材：鍍鋅鐵絲 肥皂液 取一根直徑為2絕米的鍍鋅鐵絲，彎成直徑為 15厘米 的大圓環(huán)。并將圓環(huán)接頭處用錫焊牢，并用砂紙磨光焊縫，制成如圖所示的光滑鐵絲環(huán)。 實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是肥皂液的配制。取一干凈的500ML燒杯，分別倒入角售洗潔精、蒸餾水和純凈甘油各占1／3容積，將其緩慢地?cái)嚢杈鶆颍苊庠硪喝榛虍a(chǎn)生過(guò)多氣泡。將配制的皂液倒入內(nèi)徑大于 15厘米 的淺盆內(nèi)。用上述潔凈的光滑鐵絲環(huán)浸沒(méi)于皂液中。手指環(huán)柄，將圓環(huán)稍稍?xún)A斜地輕輕抽出皂液。這時(shí)可觀(guān)察到圓環(huán)上形成一張亮晶晶的肥皂膜。然后緩緩地上下振動(dòng)圓環(huán)，使皂膜受迫振動(dòng)，如圖所示。皂腹四周附在鐵絲環(huán)上，時(shí)而向上凸起，時(shí)而向下凹陷．形成懸鏈曲面。在陽(yáng)光照時(shí)下，這張振動(dòng)膜還呈現(xiàn)七彩呢！ 一旦圓環(huán)大幅度擺動(dòng)后，迅速平移，這張七彩振動(dòng)膜會(huì)脫離圓環(huán)，在空中形成一肥皂泡，并在表面張力作用下，收縮成一只飄飄然的七彩肥皂泡，美麗而有趣。 可用硬幣做的物理實(shí)驗(yàn) 教學(xué)中，用簡(jiǎn)易、實(shí)用的教具實(shí)驗(yàn)，可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑＴ诹W(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)中用硬幣可以做以下實(shí)驗(yàn)： 1．水的表面張力 1．1 吸引 取一只臉盆，盛滿(mǎn)清水。用手指拿著一枚硬幣(壹角、伍分或貳分幣都行)，水平地輕輕放入水面，使硬幣浮在水面上(硬幣應(yīng)是干燥的，水是平靜的，動(dòng)作輕輕的)。如有困難，可用以下方法之一： (1)在硬幣上抹點(diǎn)蠟或抹一點(diǎn)肥皂； (2)先將硬幣放在吸水紙上，再把紙平放到水面上，然后戳掉薄紙； (3)做一個(gè)小鐵圈，把硬幣托放在上面，然后放入水中，小心翼翼地移去鐵圈。 用同樣方法再放人兩枚硬幣。然后用手指輕輕撥動(dòng)，或者用嘴輕輕吹氣，使硬幣逐漸靠攏。隨著它們不斷地靠近，可以觀(guān)察到：當(dāng)硬幣間距小于 1厘米 時(shí)，不用施加任何外力，它們會(huì)自動(dòng)相互靠攏，最后緊挨在一起，如圖 1a 所示。如果用手輕輕撥動(dòng)其中一枚，另一枚也跟隨移動(dòng)。似乎它們間存在某種相互吸引的力。 原因：分值硬幣是用鋁鎳合金鑄成的，其密度約為水密度的2.7倍，它們浮于水面不下沉是憑借水的表面張力。盡管它們沒(méi)有下沉，但畢竟將水面壓下去了，在硬幣周?chē)纬梢粋€(gè)局部凹陷區(qū)。后放的硬幣在水的表面張力作用下迫使它們向低凹處移動(dòng)，這就是它們相互吸引的奧秘。用同樣方法還可使更多硬幣同時(shí)浮于水面，它們聚在一起，形成十分有趣的圖案。 1．2 分離 水面上漂浮著三枚貳分硬幣互相連在一起呈三角形，如圖1所示。將一根外徑為 5毫米 的細(xì)玻璃的一端沾上一些水，然后將玻璃棒上沾水的一端放到三枚硬幣中央的水面上。當(dāng)玻璃棒上的水和三枚硬幣中央的水面一接觸，由于水和水之間存在著內(nèi)聚力，在玻璃棒上水的內(nèi)聚力的作用下，使三枚硬幣中央的水面升高，這樣三枚硬幣在水的表面張力的作用下，向四周低處移動(dòng)，他們就互相分離了。圖1b是三枚硬幣分離的俯視圖。 2 靜電斥力 我們已經(jīng)知道，使兩枚干凈硬幣漂浮在水面上，當(dāng)它們靠近到一定距離時(shí)，會(huì)相互吸引到一起，無(wú)論怎樣用嘴吹，都不能使緊挨著的硬幣分離?？捎渺o電分離這兩枚硬幣。為防止靜電干擾，盛水的盆不要用金屬盆。取一有機(jī)玻璃棒(直徑約6～8毫米)，將它裹在絲綢內(nèi)用力摩擦數(shù)次，則玻璃棒上帶有大量正電荷。然后將該棒置于這兩枚緊挨著的硬幣上方，盡量靠近但不能接觸硬幣，也不能使棒沾上水，這時(shí)可觀(guān)察到：隨著棒的靠近，兩枚硬幣會(huì)自動(dòng)分離，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)原理是這樣的：在硬幣的重力及水的表面張力的共同作用下，水面像一層橡皮膜似地呈凹形，硬幣便向低洼處移動(dòng)，而緊靠在一起。當(dāng)帶電棒接近兩硬幣交界處上方時(shí)，由于靜電感應(yīng)，使硬幣及水面都感應(yīng)大量電荷，其極性與棒上電荷極性相反，硬幣間出現(xiàn)一對(duì)斥力，使硬幣相互推離。另外，水面帶電也能減小表面張力。由于硬幣外側(cè)遠(yuǎn)離帶電棒，使外側(cè)水的表面張力大于硬幣接近處水的表面張力。而這個(gè)張力差的方向也正是使硬幣趨于分離的方向。實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵在于：環(huán)境干燥；有機(jī)玻璃棒不能太粗且?guī)献銐虻碾姾伞?SPAN lang=EN-US>
3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)
將幾枚伍分硬幣浮于盛有清水的大瓷碗的水面上，并使硬幣靜止于水面中央。將強(qiáng)磁鐵的一極緊挨硬幣上表面。當(dāng)磁鋼沿硬幣表面繞其豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，可觀(guān)察到這樣一個(gè)現(xiàn)象：非鐵磁性物質(zhì)的硬幣竟然跟著磁鋼繞其鉛垂軸旋轉(zhuǎn)。一旦磁鋼停止旋轉(zhuǎn)，這幾枚硬幣也立即隨之停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。
浮于水面的硬幣怎么會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)起來(lái)呢?由于磁鋼在旋轉(zhuǎn)時(shí)，在水面附近的空間形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，硬幣在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中切割了磁感線(xiàn)，產(chǎn)生了感應(yīng)電流。但畢竟受到水的阻尼等硬幣旋轉(zhuǎn)的角速度始終小于磁鋼旋轉(zhuǎn)的角速度。
4 磁化現(xiàn)象
可用1O—2O枚一元硬幣傲磁化實(shí)驗(yàn)(1元硬幣是用銅鎳合金制成的，是典型的軟磁材料)。實(shí)驗(yàn)方法豐富多彩，實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓人驚嘆：磁鐵能吸引1O多枚疊放成圓柱形的硬幣(豎直、水平均可以)；也可吸引5—7枚立放的硬幣(兩圓相切)，這時(shí)輕輕撥動(dòng)最下面的硬幣，它還可以在空中自由旋轉(zhuǎn)；在磁鐵上面可立3—5枚硬幣f還可以用硬幣搭“積木”橋、硬幣在平放的條形磁鐵上滾動(dòng)、把疊放成圓柱形的硬幣橫放在桌面上，將磁鐵豎直慢慢靠近這疊硬幣時(shí)，硬幣會(huì)自動(dòng)一枚接一枚的向兩側(cè)倒下?? (圖4)
5 磁屏蔽
如圖5所示，將磁鋼A用夾子固定在鐵支架上，取一枚硬幣B和一根錦綸細(xì)線(xiàn)，用粘膠將細(xì)線(xiàn)一端固定在硬幣B的表面上，而將細(xì)線(xiàn)的另一端固定在鐵架臺(tái)的底座上，將B提起來(lái)豎直方向靠近磁鋼下端約為 1厘米 左右，此時(shí)硬幣竟奇跡般地懸浮在空中而不掉下?，F(xiàn)取一塊 2毫米 厚的薄軟鐵皮C插入磁鋼A和硬幣B之間的空間，結(jié)果硬幣落在桌面上。這是由于軟鐵皮具有良好的導(dǎo)磁作用，所以從磁鋼發(fā)出的磁感線(xiàn)大部分集中到軟鐵C上，而只有少量的磁感線(xiàn)穿過(guò)軟鐵皮C，因此在鐵皮C下面的磁感應(yīng)強(qiáng)度就大為減小，鐵皮C在此起了磁屏蔽作用。
6 光的全反射
取一枚硬幣放在桌上，硬幣上疊放一只空玻璃燒杯，可以明顯看到杯底的硬幣，如圖6所示。然后往燒杯內(nèi)注入清水，當(dāng)從燒杯四側(cè)用目光尋找位于杯底的那枚硬幣，卻怎么也不到了。硬幣哪兒去了呢？
其實(shí)硬幣并沒(méi)有消失，只是光的全反射玩弄的把戲。來(lái)自硬幣的光線(xiàn)從光密媒介——水，射入光疏媒介——空氣的分界面時(shí)，由于入射角大于或等于臨界角，因此，這部分光線(xiàn)被分界面全部反射掉了。
7 光的衍射——泊松亮斑
取一個(gè)顯微鏡配備的蓋玻片（厚0.18毫米），進(jìn)行適當(dāng)切割（以能裝在光具座配備的透鏡框內(nèi)為準(zhǔn)，這樣便可借助光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的專(zhuān)用金屬桿在光具座上實(shí)驗(yàn)），用502膠水或雙面膠將硬幣粘在蓋玻片中心位置。因激光束太細(xì)，需用凹透鏡來(lái)擴(kuò)束。如圖7所示，在光具座上一次放激光光源、凹透鏡和硬幣，衍射圖樣可呈現(xiàn)在教室后面墻壁上。透鏡位置要適當(dāng)，不能使墻上的光斑過(guò)大，以避免光斑亮度過(guò)低。筆者用焦距為 8cm 的凹透鏡置于激光器輸出口處，讓光沿主光軸通過(guò)，硬幣距透鏡 0.9m ，距教室后墻壁約 8m 。不放透鏡和硬幣時(shí)，墻壁上的光斑直徑約為 3cm?。挥冒纪哥R不放硬幣時(shí)，光斑直徑約為 8cm ；放上透鏡和硬幣后，衍射圖樣直徑約 12cm 。雖然衍射條紋外側(cè)的明暗圓環(huán)不夠理想，但陰影區(qū)的中心亮斑很明顯。
利用醫(yī)用注射器改進(jìn)的三個(gè)物理實(shí)驗(yàn)
1．油膜法測(cè)分子大小實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
(1) 改進(jìn)的理由
現(xiàn)行教材介紹，測(cè)定一滴油酸酒精溶液中所含油酸的體積時(shí)，用膠頭滴管或注射器將油酸酒精溶液一滴一滴地滴入量筒中。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，膠頭滴管或注射器均感使用不便，因膠頭滴管滴出的液滴較大，在淺水盤(pán)里水面上形成油酸薄膜的面積太大，難以測(cè)定其面積；而使用注射器，當(dāng)施加在活塞上的壓力控制不當(dāng)時(shí)，從針頭出來(lái)的油酸酒精溶液就會(huì)時(shí)而成滴，時(shí)而噴射，實(shí)驗(yàn)往往半途而廢。本是一堂學(xué)生實(shí)驗(yàn)課，呈現(xiàn)的卻是學(xué)生一趟趟換水上洗手間的鬧劇。
(2) 儀器的改進(jìn)與制作
鑒于上述窘境，筆者從一次性使用輸液器上，拆取注射細(xì)軟管部分，將剩余塑料軟管上的控制閥安裝于細(xì)軟管處，以便于直接調(diào)節(jié)控制閥來(lái)控制細(xì)軟管中油酸溶液的流速，以保證在較大力推動(dòng)注射器時(shí)，也能使注射針頭處以液滴形式滴出，這樣就制成了一件非常完美實(shí)用的注射滴定器。如圖1 所示。
(3) 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)
該實(shí)驗(yàn)取材制作簡(jiǎn)單，操作穩(wěn)定性加強(qiáng)。 經(jīng)改進(jìn)后，實(shí)驗(yàn)的成功率大大提高。
2．做功改變物體內(nèi)能實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
(1) 改進(jìn)的理由
改變物體內(nèi)能的方式有兩種：做功和熱傳遞。 現(xiàn)實(shí)生活中有許多實(shí)例可以證實(shí)，熱傳遞可以改變物體的內(nèi)能。 新課程選修3-3第10章第1節(jié)功和內(nèi)能演示實(shí)驗(yàn)：在有機(jī)玻璃筒底放置少量硝化棉，迅速壓下筒中的活塞，觀(guān)察筒底物品的變化。此實(shí)驗(yàn)通過(guò)活塞對(duì)筒內(nèi)氣體做功，溫度上升，點(diǎn)燃硝化棉來(lái)說(shuō)明做功改變物體的內(nèi)能。觀(guān)察到的現(xiàn)象是硝化棉燃燒發(fā)光，但持續(xù)時(shí)間很短，即使在光線(xiàn)較暗的教室也不易觀(guān)察，更不用說(shuō)明亮的環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)效果。 這正是實(shí)驗(yàn)不易成功的關(guān)鍵所在，可視性不高。 筆者為了提高可視化程度，做了如下改進(jìn)。
(2) 儀器的改進(jìn)與制作
選取一支25 mL或50mL的注射器，取出注射栓，將熱敏溫度計(jì)的探頭塞入注射筒內(nèi)，使其橫臥。將已溶解好的石蠟通過(guò)其他注射器注射入筒內(nèi)，要求液面略高于熱敏溫度計(jì)探頭的直徑。等石蠟冷卻凝固后，用針尖劃去覆蓋于熱敏溫度計(jì)探頭上的石蠟，如圖2 所示。 這樣處理的目的：一是在用力推壓活塞時(shí)，不至于損壞探頭；二是有一定的空間讓探頭能檢測(cè)到筒內(nèi)溫度的變化，從而對(duì)外輸出信號(hào)。最后將從套針頭管口穿出的探頭導(dǎo)線(xiàn)與熱敏溫度計(jì)上的輸入導(dǎo)線(xiàn)相連，整個(gè)裝置制作完成，如圖3 所示。
通過(guò)手掌用力推壓注射器的活塞，當(dāng)壓縮至最大限度時(shí)，可觀(guān)察到熱敏溫度計(jì)的示數(shù)的變化情況，可使系統(tǒng)的溫度升高 0.7℃ 左右。由此說(shuō)明，外界對(duì)氣體做功可使氣體內(nèi)能增加；反之松開(kāi)手掌，氣體將活塞向上推動(dòng)一段距離，又可見(jiàn)熱敏溫度計(jì)的示數(shù)逐漸下降，當(dāng)示數(shù)穩(wěn)定后又達(dá)到原來(lái)的室溫，由此說(shuō)明，系統(tǒng)對(duì)外做功，其內(nèi)能減少。
(3) 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)
該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，通過(guò)熱敏溫度計(jì)的示數(shù)變化來(lái)觀(guān)察被壓縮氣體的溫度變化，不僅直觀(guān)性好，而且大大提高了可見(jiàn)度，加深了學(xué)生的印象及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀(guān)察能力，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
3．驗(yàn)電器(靜電計(jì)) 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)
(1) 改進(jìn)的理由
靜電實(shí)驗(yàn)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣的一個(gè)好實(shí)驗(yàn)。 但該實(shí)驗(yàn)在演示時(shí)，往往容易失敗，特別是在夏季的教室，即便是實(shí)驗(yàn)前將毛皮、絲綢、橡膠棒、玻璃棒都保證干燥、干凈，卻也不易成功。 究其原因很多，但主要原因是空氣潮濕，電荷在通過(guò)驗(yàn)電器上的金屬桿時(shí)已跑掉，使電荷到不了箔片或到達(dá)的量很少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能成功或現(xiàn)象不明顯。 由此可見(jiàn)，如果能保證電荷大量地通過(guò)驗(yàn)電器的金屬桿而到達(dá)箔片，即可保證實(shí)驗(yàn)的成功。 其關(guān)鍵在于對(duì)金屬桿的良好絕緣，經(jīng)筆者多次試驗(yàn)，現(xiàn)改進(jìn)如下。
(2) 儀器的改進(jìn)與制作
將驗(yàn)電器金屬桿上的金屬驗(yàn)電球和箔片取下，就成了由有機(jī)玻璃螺栓將同一金屬桿分成裸露的兩部分。此時(shí)用2 支已切出套針頭細(xì)管的5 mL的注射器套于兩金屬桿上，若注射器過(guò)長(zhǎng)， 就切去帶有手柄端的過(guò)長(zhǎng)部分。上端保留安裝金屬驗(yàn)電球的螺紋部位，下端僅留安裝箔片的部位。 再將已溶解好的石蠟通過(guò)第三支注射器注射入裝有金屬桿的塑料圓筒內(nèi)，使金屬桿包在石蠟中間，以保證其良好的絕緣性能。 最后待石蠟冷卻凝固后， 擰上金屬驗(yàn)電球，裝好箔片，將其固定于驗(yàn)電器金屬外殼內(nèi)即可。如圖4 所示。
(3) 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)
只要操作方法正確，實(shí)驗(yàn)成功率可達(dá)100 %。用橡膠棒與毛皮摩擦后去接觸驗(yàn)電球，箔片張開(kāi)，經(jīng)數(shù)次接觸后，箔片的張角可達(dá)60°以上，并且箔片的張角能保持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間不變，即使向驗(yàn)電器上噴水霧，張開(kāi)的箔片也不會(huì)很快落下，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。
此實(shí)驗(yàn)也可演示枕形導(dǎo)體的靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)。具體做法，只要制作兩個(gè)上述驗(yàn)電器，且將驗(yàn)電金屬球改裝為枕形導(dǎo)體即可。實(shí)驗(yàn)效果也是非常明顯。
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