自制表面張力演示儀和穩(wěn)定度判定儀

劉翠青，李敏兒，陳堉馳

（韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣東 潮州521041）

1 引 言

2011年8月2 —4日，由中國(guó)教育學(xué)會(huì)主辦、西華師范大學(xué)承辦的全國(guó)第3屆大學(xué)生物理教學(xué)技能大賽在四川南充舉行．本次大賽共有來自北京師范大學(xué)、首都師范大學(xué)、東北師范大學(xué)、華東師范大學(xué)、華南師范大學(xué)、南京師范大學(xué)等全國(guó)91所高校的661名學(xué)子（含36名研究生）參加．大賽共分27組，每組25名選手，從25名選手中勝出者為特等獎(jiǎng)．我院派出物理與電子工程系的6名選手參賽，選手李敏兒、黃冬妮、陳陽陽獲特等獎(jiǎng)，陳堉馳、劉淑孝獲一等獎(jiǎng)，楊少彬獲二等獎(jiǎng)．下面介紹其中2個(gè)課題中的精彩的實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)與制作過程，旨在激發(fā)對(duì)自制教具的興趣和重視，希望有更多、更有創(chuàng)意的低成本實(shí)驗(yàn)教具的出現(xiàn)，豐富和充實(shí)中學(xué)物理課堂教學(xué)資源，滿足和實(shí)現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的要求．

2 表面張力演示儀

在創(chuàng)設(shè)情景、導(dǎo)入課題中演示開口瓶倒立水不流的趣味實(shí)驗(yàn)（圖1）：首先握住瓶子，向瓶?jī)?nèi)加滿水后，蓋上塑料板（紙板也可以，但塑料板和紙板都需貼上表面光滑的廣告紙，起防水作用），然后將瓶倒轉(zhuǎn)，這時(shí)塑料板不會(huì)掉下來，水也不會(huì)流出來；接著輕輕地吹掉塑料板，會(huì)發(fā)現(xiàn)水依舊沒有流出來；若傾斜瓶子，水卻流出來；最后再次倒立時(shí)，水反而不會(huì)流出來，這時(shí)再晃動(dòng)瓶子，水流出來，停止晃動(dòng)，水又不會(huì)流出來．利用時(shí)而水流時(shí)而水不流的現(xiàn)象，制造了層層懸念，為學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)了問題情境，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為導(dǎo)入課題做了良好的鋪墊．

圖1 表面張力實(shí)驗(yàn)演示圖

2．1 實(shí)驗(yàn)裝置的取材與制作過程

瓶口粘有細(xì)網(wǎng)的塑料瓶如圖2所示．

圖2 瓶口粘有細(xì)網(wǎng)的塑料瓶

為了使實(shí)驗(yàn)演示效果明顯、便于制作和攜帶，實(shí)驗(yàn)采用了生活中常見的飲料瓶，瓶高約18 cm，瓶口直徑約4 cm．

網(wǎng)狀物的網(wǎng)孔大小在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中起著決定性的因素，因此網(wǎng)孔大小的選擇就成了制作的關(guān)鍵．若網(wǎng)孔直徑大于2 mm的鋼絲網(wǎng)，水很快就會(huì)流出來，而密集的網(wǎng)孔在裝水時(shí)水無法順利地倒入杯子．通過不斷的試驗(yàn)，最終選用了直徑約為1 mm的網(wǎng)孔．而本實(shí)驗(yàn)采用的材料來自廢棄保溫杯中的過濾網(wǎng)，后來還嘗試家庭中窗戶紗窗的制作廢料，效果一樣明顯．

制作過程只需將網(wǎng)狀物裁剪成瓶口大小，然后用硅膠將網(wǎng)狀物粘合在瓶口處．該過程需要反復(fù)進(jìn)行，同時(shí)用剪刀剪除多余的膠，使粘合處平整，防止在瓶子側(cè)面看出粘合的痕跡，使整個(gè)教具美觀大方．在粘合過程或?qū)嶒?yàn)后網(wǎng)狀物可能會(huì)出現(xiàn)凹陷下去的現(xiàn)象，此時(shí)可用針或其他工具將網(wǎng)挑平．

2．2 實(shí)驗(yàn)的功能與作用

這個(gè)實(shí)驗(yàn)常常會(huì)使人想起大氣壓強(qiáng)的覆杯實(shí)驗(yàn)，誤認(rèn)為是大氣壓強(qiáng)的原因．其實(shí)水不流出來是因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔檬辜?xì)鋼絲編成的網(wǎng)孔形成了水膜，從而水不會(huì)流出．而傾斜或晃動(dòng)瓶子，就無法形成完整的水膜，因而水流了出來．

該實(shí)驗(yàn)充滿趣味性，一開始學(xué)生會(huì)以為是覆杯實(shí)驗(yàn)而忽視，但是當(dāng)學(xué)生看到塑料板掉下后水依舊不會(huì)流出來時(shí)就會(huì)產(chǎn)生疑問和興趣，同時(shí)當(dāng)他們看到水在傾斜時(shí)流出而再次倒立時(shí)卻流不出來，則會(huì)更加驚訝，每一步操作都可以引起學(xué)生的注意，為此，該實(shí)驗(yàn)作為導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)的效果比較好．

3 穩(wěn)定度判定儀

在探究物體維持穩(wěn)定的條件時(shí)，通過穩(wěn)度判定儀的直觀演示，不斷地改變支撐面積的大小和重心位置的高低，得出結(jié)論：物體穩(wěn)定的條件是重力作用線（重心在底面上的投影）必須落在物體支撐面積以內(nèi)．當(dāng)重心投影超出支撐面積范圍時(shí)，則無法保持穩(wěn)定．

3．1 實(shí)驗(yàn)裝置

穩(wěn)定度判定儀如圖3所示，由1根螺紋鐵棒連結(jié)在一起的2個(gè)方形木框，用1根繩子交叉連結(jié)2個(gè)木框的中點(diǎn)，交點(diǎn)就是儀器的重心位置，用1盞小燈（擠壓燈口可打開紅燈）標(biāo)示重心位置在底面上的投影．

圖3 穩(wěn)定度判定儀

3．2 實(shí)驗(yàn)教具的取材與制作過程

穩(wěn)定度判定儀的原型是折疊式木框布書架，撤去外圍的布料之后就得到2個(gè)分散的方形木框，1個(gè)大（外）框，1個(gè)小（內(nèi)）框．在內(nèi)外木框的木條中間分別鉆孔，然后用1根長(zhǎng)度、半徑、粗糙程度都合適的螺紋鐵棒穿過兩木框的中心孔．使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，角度變化單一，而且很難穩(wěn)當(dāng)?shù)財(cái)[放在桌面上．為此作了改進(jìn)：在外框的3／4處鉆孔，螺紋鐵棒穿過外框的3／4孔和內(nèi)框的中心孔相連結(jié)．這樣，可隨意地變換角度和改變支撐面積的大小，并且較穩(wěn)當(dāng)?shù)財(cái)[放．在制作中，還要注意連結(jié)2個(gè)木框的鐵棒相當(dāng)重要，孔的大小和孔紋最好和鐵棒的螺紋相匹配．隨后，注意在穿螺紋鐵棒時(shí)要先套上內(nèi)框里面的固定螺母，連接完畢后在外框上套上彈簧戒指和螺母，起到固定與調(diào)節(jié)的作用（注：2個(gè)木框連接處的松緊會(huì)影響演示儀擺放穩(wěn)定性，可微調(diào)兩邊螺母控制松緊程度）．這樣，既保證木框連接后可以轉(zhuǎn)動(dòng)，又使木框之間的松緊可調(diào)，而且保證使木框能夠準(zhǔn)確無誤地以任何角度擺放在桌面上．為了增加教具與桌面的粗糙程度，在框的支點(diǎn)適當(dāng)涂上硅膠．

最后考慮如何標(biāo)示穩(wěn)定度判定儀的重心的位置．教具是由2個(gè)規(guī)則的方形木框構(gòu)成，每個(gè)木框的重心都在2個(gè)方形木框的幾何中心，將2個(gè)木框連接之后，教具的重心就位于2個(gè)木框幾何中心的連線的中點(diǎn)（這里忽略了螺紋鐵棒對(duì)重心位置的影響．若要講究嚴(yán)格的規(guī)則對(duì)稱，則可在外框的1／4處再穿1根相同的螺紋鐵棒）．用1根繩子采用交叉的方式，連結(jié)內(nèi)外框的中心孔，成X字，交點(diǎn)就是教具的重心位置 注意繩子的材料要堅(jiān)固，能夠綁得結(jié)實(shí)，掛得起重物，還要夠細(xì)，可以穿綁于鐵棒螺母之間和中心鉆孔之間，另外顏色要鮮艷醒目．

穩(wěn)定度判定儀主要是直觀地顯示重心投影位置和支撐面積的關(guān)系對(duì)穩(wěn)度的影響，因此，在重心位置安裝1盞小燈來標(biāo)示重心位置在底面上的投影．本教具使用的小燈來源于紅色光的單車裝飾尾燈．為了使光路集中，避免光線發(fā)散，燈外圍貼上1圈黑膠布和1層美觀的硬紙板來遮擋光線，紙板剪成扇形包住，中間剪一小孔，光線沿孔射出，在支撐面上出現(xiàn)1個(gè)紅點(diǎn)，以此標(biāo)示教具重心位置在支撐面上的投影．

3．3 實(shí)驗(yàn)的功能與作用

穩(wěn)定度判定儀可用于多角度觀察和驗(yàn)證物體穩(wěn)定的條件：重力作用線（重心在底面上的投影）必須落在物體支撐面積以內(nèi)．改變重心位置高低，支撐面積大小，當(dāng)重心投影落在支撐面積以內(nèi)時(shí)，物體始終保持穩(wěn)定；當(dāng)重心投影超出支撐面積范圍時(shí)，無法保持穩(wěn)定（圖4）．物體支撐面積越大，重心位置越低，則重力作用線越不容易超出支撐面，物體越穩(wěn)定．還有可用來區(qū)分支撐面積和接觸面積的不同．通過穩(wěn)度判定儀生動(dòng)、直觀、形象的演示，使學(xué)生易于理解和掌握穩(wěn)度的有關(guān)知識(shí)和規(guī)律．

圖4 穩(wěn)定條件的演示

4 結(jié)束語

一件成功的自制教具，不僅蘊(yùn)含豐富的物理知識(shí)，還包含著制作者的智慧．實(shí)驗(yàn)教具的制作過程，是指導(dǎo)教師與學(xué)生不斷交流，思想撞擊火花激發(fā)靈感，不斷地嘗試、修改、完善的過程，也是不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的探究過程．