用筆芯來制作兩種測(cè)量工具

宋藝華

摘要：實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的基本方法，開發(fā)和利用低成本實(shí)驗(yàn)是物理教師必備的能力。本文介紹了利用筆芯設(shè)計(jì)制作兩種物理測(cè)量工具的原理、方法及在物理教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：筆芯；溫度計(jì)；密度計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2009)6(S)-0053-2

《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》倡導(dǎo)利用日常器具做實(shí)驗(yàn)，它不但具有簡(jiǎn)便、直觀等優(yōu)點(diǎn),而且有利于學(xué)生動(dòng)手，發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。其實(shí)，我們可以利用身邊的物品做許多物理實(shí)驗(yàn)，只要我們細(xì)心挖掘、精心設(shè)計(jì)，就能夠設(shè)計(jì)出更多低成本、高智慧的物理小實(shí)驗(yàn)。

筆芯是現(xiàn)代社會(huì)中人們常用的文化用品，筆芯用完了，留之無用、棄之可惜。用完了的筆芯一端封閉、中空均勻、筆桿透明，且有的筆桿上標(biāo)有刻度，生活中隨手可得。根據(jù)筆芯的這些特點(diǎn)，筆者介紹兩種利用筆芯設(shè)計(jì)物理測(cè)量工具的方法。

1 用筆芯制作氣體溫度計(jì)

1．1 材料

筆芯（圓珠筆芯、中性筆芯）、水、高錳酸鉀（墨水或濃茶水）

1．2 制作方法

找一個(gè)用完的筆芯，清除筆芯內(nèi)的廢油，在筆桿的開口端置入部分高錳酸鉀水溶液（墨水或濃茶水）。常用方法有三種：一是用加熱法，即把一個(gè)用完的筆芯浸在沸水中約2min，加熱至筆桿內(nèi)氣體溫度與沸水溫度相同，取出后迅速把開口端插入高錳酸鉀水溶液中（常溫），筆芯內(nèi)的密閉氣體降溫后，氣壓減小，高錳酸鉀水溶液就被壓入筆桿內(nèi)，待高錳酸鉀水溶液進(jìn)入筆桿內(nèi)穩(wěn)定后取出，筆芯溫度計(jì)的工作介質(zhì)是筆桿內(nèi)被密閉的氣體。二是注入法，即用注射器吸入部分高錳酸鉀水溶液，從開口端注入筆桿內(nèi)。三是連通器法，即把筆桿一端的筆尖拔出，將筆桿的另一端部分浸入高錳酸鉀水溶液中，再將筆尖插入筆桿，取出即可。

將筆芯分別置于冰水混合物中，穩(wěn)定后筆桿中液面所對(duì)的位置就對(duì)應(yīng)的是0℃，想辦法把它標(biāo)記在筆桿的一側(cè)（如果筆桿上有刻度，就記住液面所對(duì)的刻度），如圖1所示。

標(biāo)記其它溫度值的方法有兩種：一種方法是把筆芯溫度計(jì)放入不同溫度的水中，如：20℃、30℃、50℃……用實(shí)驗(yàn)室的溫度計(jì)對(duì)照，在相應(yīng)位置標(biāo)記下來，這樣不同的氣柱長(zhǎng)度就對(duì)應(yīng)著不同的溫度，下表給出一組參考數(shù)據(jù)：

氣柱長(zhǎng)度/cm7.327.868.6610

溫度/℃冰水混合物0室溫2050沸水100

另一種方法是根據(jù)蓋?呂薩克定律確定：

當(dāng)t0=0℃時(shí)，T0=(t0+273.15)K，氣柱長(zhǎng)度為l0，體積V0=Sl0，其中S為筆桿內(nèi)徑截面積；當(dāng)t≠0℃，T=(t+273.15)K，氣柱長(zhǎng)度為l，體積為V=Sl。

則由V璽V0=TT0可得：

l璽=l0(1+t/273.15)，（1）

t=273.15(l璽/l0-1)。（2）

由（1）式可知，當(dāng)l0已知時(shí)，我們可以推算出任意溫度t下的氣柱長(zhǎng)度l。例如：當(dāng)t=50℃時(shí)，l=8.66cm。這樣分別計(jì)算出各個(gè)溫度下所對(duì)應(yīng)的氣柱長(zhǎng)度，用刻度尺就可以為筆芯溫度計(jì)標(biāo)上刻度。

由（2）式可知，當(dāng)l0已知時(shí)，可以推算出任意氣柱長(zhǎng)度l所對(duì)應(yīng)的溫度t，如：在某一溫度下，用刻度尺測(cè)出氣柱的長(zhǎng)度為l=8.66cm，那么，依據(jù)（2）式可以計(jì)算出該溫度t=50℃。

另外，筆芯溫度計(jì)上的刻度應(yīng)該是均勻的，請(qǐng)讀者闡明其中的道理。

1．3 教學(xué)運(yùn)用

學(xué)完溫度計(jì)后，可以讓學(xué)生自制筆芯氣體溫度計(jì)，這樣不僅能夠讓學(xué)生理解氣體溫度計(jì)的原理，還能夠培養(yǎng)學(xué)生“變廢為寶、化腐朽為神奇”的創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力。

在學(xué)完氣體方程后，可以讓學(xué)生用自制的筆芯氣體溫度計(jì)裝置驗(yàn)證蓋?呂薩克定律。

1．4 實(shí)驗(yàn)分析

筆芯氣體溫度計(jì)測(cè)量的量程為0～100℃，若想測(cè)量0℃以下溫度，可更換凝固點(diǎn)較低的液體，精密度與刻度尺的精密度有關(guān)，也可以使用筆桿內(nèi)徑較小的圓珠筆芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，減小實(shí)驗(yàn)的誤差。

筆芯氣體溫度計(jì)測(cè)量的誤差可能與以下因素有關(guān)：（1）外界的大氣壓強(qiáng)，大氣壓會(huì)隨著季節(jié)、天氣及海拔高度等因素的變化而發(fā)生變化；（2）測(cè)量時(shí)放置的方法，不同的放置方法，會(huì)因?yàn)橐褐闹亓?dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，建議水平使用（與確定溫度計(jì)刻度時(shí)放置位置相同）；（3）測(cè)量氣柱長(zhǎng)度時(shí)要留意筆芯內(nèi)有無剩余的筆油。

2 用筆芯制作液體密度計(jì)（比重計(jì)）

2．1 材料

筆芯、鐵絲(直徑略小于筆桿內(nèi)徑)

2．2 制作方法

找一個(gè)用完的筆芯(最好是筆桿細(xì)長(zhǎng)的圓珠筆芯)，將其筆尖朝下放入水中，看它是否能夠豎直漂浮在水中(一般的中性筆芯都不能豎直漂浮在水中)，如若不行可以把鐵絲剪為短節(jié)，放入筆桿內(nèi)靠近筆尖的一端，直至它能夠豎直漂浮在水中（如圖2），在水面所對(duì)應(yīng)的筆桿位置上做記號(hào)并標(biāo)上數(shù)字“1”，表明密度為1×103kg/cm3，還可以把它放入酒精、鹽水等液體中，在液面所對(duì)的位置上標(biāo)記對(duì)應(yīng)的液體密度值，如：0.8等。

2．3 教學(xué)運(yùn)用

在學(xué)完浮力內(nèi)容后，讓學(xué)生自制筆芯液體密度計(jì)，去測(cè)量或比較不同液體密度的大小，這樣不僅可以使學(xué)生鞏固阿基米德原理F=ρgV及物體漂浮的條件F=G，還能夠使學(xué)生理解密度計(jì)的原理，體驗(yàn)物理學(xué)知識(shí)的神奇。

2．4 實(shí)驗(yàn)分析：

因筆芯較小，不必讓學(xué)生準(zhǔn)確測(cè)出每種液體的密度，只要能夠利用密度計(jì)的原理比較出不同液體密度的大小即可。

筆桿上密度的刻度是不均勻的，也請(qǐng)讀者試著分析其中的原因。

(欄目編輯王柏廬)