探討物理儀器制作的創(chuàng)新思路

在物理探究活動(dòng)中，通過(guò)不斷的實(shí)踐、分析和概括總結(jié)，從而揭示出物理現(xiàn)象的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)上的飛躍，再根據(jù)認(rèn)識(shí)的規(guī)律制成相應(yīng)的儀器，并應(yīng)用到實(shí)踐活動(dòng)中，這是物理探究過(guò)程中常常閃耀出的智慧的火花，它不僅能激活學(xué)生的思維，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?，F(xiàn)介紹兩例探究過(guò)程，與同仁共同探討。

探究1 楊陽(yáng)同學(xué)在物理探究活動(dòng)中了解到，力作用在物體上能使物體發(fā)生形變，她又聯(lián)想到，用力拉橡皮筋，橡皮筋伸長(zhǎng)；橡皮筋受到的拉力越大，橡皮筋伸長(zhǎng)得越長(zhǎng)。橡皮筋的伸長(zhǎng)跟拉力之間有什么樣的關(guān)系呢？這激發(fā)了她想揭示其中奧秘的欲望。

她發(fā)現(xiàn)彈簧的彈性性能比橡皮筋好得多，于是她找來(lái)彈簧、鉤碼、直尺、指針等器材。首先測(cè)出彈簧的長(zhǎng)度L0=10cm，然后在彈簧下端掛上不同的鉤碼，測(cè)出彈簧的長(zhǎng)度L，算出其伸長(zhǎng)ΔL（ΔL=L-L0），并將測(cè)得的數(shù)據(jù)填在下表中：

她通過(guò)分析表中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了彈簧受到的拉力F和彈簧伸長(zhǎng)ΔL的關(guān)系。你發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律嗎？

這時(shí)楊陽(yáng)同學(xué)的媽媽看到這個(gè)現(xiàn)象，提醒楊陽(yáng)：你如果繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，還有什么發(fā)現(xiàn)？于是楊陽(yáng)同學(xué)繼續(xù)實(shí)驗(yàn)并將測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在下表中：拉力F/N789101112

長(zhǎng)度L/cm17.018.019.120.421.922.5

伸長(zhǎng)ΔL/cm7.08.09.110.411.912.6

她通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉力達(dá)到9N時(shí)，拉力和彈簧伸長(zhǎng)的關(guān)系就改變了。她又通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，都發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。因此她得出的結(jié)論：在一定的測(cè)量范圍內(nèi)，彈簧的伸長(zhǎng)跟受到的拉力成正比。

評(píng)：通過(guò)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

善于動(dòng)腦筋的楊陽(yáng)同學(xué)猜想，既然在一定的測(cè)量范圍，彈簧的伸長(zhǎng)跟受到的拉力成正比，那么，在彈簧指針兩側(cè)的刻度板上分別標(biāo)上彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)拉力的大小，不就可以用來(lái)測(cè)量力的大小嗎？這不就是簡(jiǎn)單的彈簧測(cè)力計(jì)嗎？想到這里，楊陽(yáng)同學(xué)立即動(dòng)手進(jìn)行制作，換用一根相同的彈簧，在彈簧下端按上掛鉤，即在彈簧伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為零的指針位置上對(duì)應(yīng)的力0N，在彈簧伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為8cm的指針位置上標(biāo)上對(duì)應(yīng)的力8N，在0~8N之間分成八大等分，每一大等分為1N，在每一大等分之間分成五小等分，每一小等分為0.2N，這樣一個(gè)測(cè)量力的測(cè)力計(jì)就制成了。如圖1所示。

評(píng)：利用規(guī)律，制成儀器。

在學(xué)?？蒲谐晒褂[會(huì)上，楊陽(yáng)同學(xué)成功的成果民法示得到了評(píng)委的一致好評(píng)。

課外興趣小組的李明同學(xué)用楊陽(yáng)同學(xué)的測(cè)力計(jì)去測(cè)量液體的密度，她在塑料小桶中分別裝滿(mǎn)已知密度的四種不同液體后，用彈簧測(cè)力計(jì)稱(chēng)它們的重力，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在下表中：

液體密度ρ/（g·cm3)1.02.03.04.0

彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F/N3.04.05.06.0

李明同學(xué)通過(guò)分析此表，繪制了液體密度與彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)之間的關(guān)系圖像。如圖2所示的圖中能正確反映這一規(guī)律的圖像是______。

通過(guò)分析表中的數(shù)據(jù)規(guī)律和圖像規(guī)律，你發(fā)現(xiàn)液體密度ρ與彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)F之間的定量關(guān)系為_(kāi)_____，若小桶中盛滿(mǎn)密未知的某種液體時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為2.8N，李明同學(xué)推算出了該液體的密度是______kg/m3。

丁寧同學(xué)根據(jù)李明同學(xué)發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)所用的彈簧測(cè)力計(jì)和小桶組裝起來(lái)，可以制成一個(gè)液體密度計(jì)。使用時(shí)，只需將小桶中裝滿(mǎn)待測(cè)液體，就可從彈簧測(cè)力計(jì)指針指示的位置直接讀出液體的密度。你能制造出這樣的密度計(jì)嗎？請(qǐng)你幫他將圖1中的彈簧測(cè)力計(jì)改裝成液體密度計(jì)，并把液體密度計(jì)的零刻度線和最大值刻度線向右延長(zhǎng)，并標(biāo)出相應(yīng)的刻度值。

丁寧同學(xué)分析表中的數(shù)據(jù)規(guī)律和圖像規(guī)律，發(fā)現(xiàn)液體密度的增加量與彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的增大量相同，即彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F與液體的密度ρ之間的滿(mǎn)足一次函數(shù)的關(guān)系，即F=2.0+ρ

當(dāng)液體密度最小ρ=0g/cm3時(shí)，由F=2.0+ρ得，拉力最小F=2.0N。

當(dāng)拉力最大F=8.0N時(shí)，由于F=0.8+ρ得，液體密度最大ρ=6.0g/cm3。

這樣丁寧同學(xué)就成功地將彈簧測(cè)力計(jì)和小桶組裝起來(lái)，制成了一個(gè)液體密度計(jì)。如圖3所示。

評(píng)：利用規(guī)律，遷移創(chuàng)新。

探究2 五一期間，小娟和媽媽去公園玩耍，看到在草地的蹺蹺板上，大人被小孩蹺起，如圖4所示；當(dāng)大人向后移動(dòng)一些距離時(shí)，小孩又被大人蹺起，這引起了小娟的思考，為什么一會(huì)兒大人被小孩蹺起，一會(huì)兒大人又將小孩蹺起？

小娟通過(guò)查閱資料了解到，蹺蹺板相當(dāng)于一個(gè)杠桿，如圖5所示，人坐在蹺蹺板上對(duì)蹺蹺板施加了一個(gè)向下的壓力，蹺蹺板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相當(dāng)于一個(gè)支點(diǎn)，從支點(diǎn)到力的作用線的距離叫做力臂，大人和小孩誰(shuí)被蹺起，跟人對(duì)蹺蹺板的壓力和支點(diǎn)到力的作用線的距離即力臂有關(guān)，人坐在蹺蹺板上上升或下降跟壓力和壓力的力臂有什么關(guān)系呢？

小娟回到實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)平時(shí)所掌握的知識(shí)了解到：杠桿在使用前與天平一樣，也要通過(guò)調(diào)節(jié)平衡螺母使杠桿水平平衡；又了解到杠桿是否平衡跟動(dòng)力、動(dòng)力臂和阻力、阻力臂有關(guān)，為了弄清動(dòng)力、動(dòng)力臂和阻力、阻力臂之間的關(guān)系，她采用了控制變量法來(lái)研究它們之間的關(guān)系。

下表是小娟同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄的數(shù)據(jù)：

小娟分析表中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了動(dòng)力、動(dòng)力臂和阻力、阻力臂之間的關(guān)系。她又通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)均得出了相同的結(jié)論。你發(fā)現(xiàn)它們之間是什么關(guān)系？

小娟經(jīng)過(guò)思考，知道了蹺蹺板的奧秘，當(dāng)大人的壓力和力臂的乘積大于小孩的壓力和力臂的乘積時(shí)，小孩被蹺起；當(dāng)大人的壓力和力臂的乘積等于小孩的壓力和力臂折乘積時(shí)，蹺蹺板就平衡；當(dāng)大人的壓力和力臂的乘積小于小孩的壓力和力臂折乘積時(shí)，大人就被蹺起。

小娟得出杠桿平衡的條件：動(dòng)力乘以動(dòng)力臂等于阻力乘以阻力臂。表達(dá)式為：F1·L2=F2·L2，再對(duì)表中的數(shù)據(jù)繼續(xù)進(jìn)行分析，又發(fā)現(xiàn)當(dāng)L1＜L2時(shí)，F(xiàn)1＞F2；當(dāng)L1=L2時(shí)，F(xiàn)1=F2；當(dāng)L1＞L2時(shí)F1＜F2，即當(dāng)動(dòng)力臂小于阻力臂時(shí)，動(dòng)力大于阻力；當(dāng)動(dòng)力臂等于阻力臂時(shí)，動(dòng)力等于阻力；當(dāng)動(dòng)力臂大于阻力臂時(shí)，動(dòng)力小于阻力。老師適時(shí)提醒小娟，這一發(fā)現(xiàn)是否可以應(yīng)用到實(shí)踐中呢？

評(píng)：通過(guò)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

小娟想：能否用杠桿來(lái)稱(chēng)量物體的質(zhì)量呢？小娟根據(jù)控制變量法研究問(wèn)題的方法，保持阻力臂和動(dòng)力大小不變，改變物體質(zhì)量的大小即改變物體對(duì)杠桿阻力的大小，再改變動(dòng)力臂的大小即改變鉤碼距支點(diǎn)的位置，將測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在下表中：

分析上表數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)阻力臂和動(dòng)力大小不變時(shí)，動(dòng)力臂和阻力大小成正比。根據(jù)杠桿平衡的條件F1·L1=F2·L2和F=G=mg得到，m1gL1=m2gL2即被測(cè)物體的質(zhì)量與動(dòng)力臂成正比m2=m1L2L1，在杠桿距支點(diǎn)左側(cè)一定距離處掛上不同質(zhì)量的物體，在杠桿距支點(diǎn)右側(cè)相應(yīng)長(zhǎng)度的位置標(biāo)上相應(yīng)的質(zhì)量數(shù)，杠桿就成為了可以測(cè)量質(zhì)量的杠秤了，這就是杠秤的工作原理。

評(píng)：利用規(guī)律，制成儀器。

小娟經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了自己的想法。老師表?yè)P(yáng)了小娟善于動(dòng)手、動(dòng)腦的好品質(zhì)，然后又提出一個(gè)問(wèn)題，怎樣用杠秤稱(chēng)量液體的密度呢？

回家后，小娟想到，測(cè)定物質(zhì)密度的原理是ρ=mV，只要測(cè)出物質(zhì)的質(zhì)量和物質(zhì)的體積，再得用公式即可求得，于是找來(lái)一只量程為500ml的燒杯，用桿秤稱(chēng)出空燒杯的質(zhì)量為200g，每次在燒杯中倒入500ml的不同液體，用桿秤稱(chēng)出燒杯和液體的相應(yīng)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)得的數(shù)據(jù)如下表：

小敏同學(xué)根據(jù)小娟測(cè)得的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)用桿秤和燒杯組合起來(lái)可以制造出一桿能測(cè)出液體密度的密度秤。你想可能嗎？

根據(jù)上面數(shù)據(jù)的規(guī)律，可以看出，在這桿秤上200g的位置上標(biāo)上對(duì)應(yīng)的密度值為“0”，在桿秤上700g的位置上標(biāo)上對(duì)應(yīng)的密度值為“1”，在“0~1”之間均分成10等分，每一等分就是0.1g/cm3，依次類(lèi)推，可以擴(kuò)大到桿秤最大量程的范圍。這樣就制成了一桿簡(jiǎn)單而實(shí)用的液體密度秤。如圖6所示。

評(píng)：利用規(guī)律，遷移創(chuàng)新。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。