物理實驗之一種簡易防震房模型的制作

摘?要：地震是一種巨大的自然災(zāi)害，可能導(dǎo)致山崩地裂、房屋損毀和大量人員傷亡。如何在地震中保存自己免受傷害成了很多人關(guān)心的問題。本文旨在指導(dǎo)高中學(xué)生利用現(xiàn)階段所學(xué)物理知識設(shè)計一種簡易防震房，解決農(nóng)村房屋在發(fā)生地震時保護(hù)自身問題，啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用物理知識解決實際問題的能力。同時，針對農(nóng)村高中物理實驗教學(xué)實際，低成本、實用性原則是進(jìn)行防震房設(shè)計時的首要因素。

關(guān)鍵詞：防震房;防震床;地震傳感式開關(guān)

一、 簡易防震房的設(shè)計思路

（一） 地震的基本知識

地震（英文名稱：earthquake）又被稱為地動，是地殼快速釋放能量過程中造成振動，產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。相關(guān)統(tǒng)計表明，地球上每年約發(fā)生500多萬次地震，平均每天要發(fā)生上萬次的地震。其中絕大多數(shù)震級很低，人們基本上感覺不到;能對人類造成嚴(yán)重危害的地震大約有十幾二十次;能造成特別嚴(yán)重災(zāi)害的地震僅一兩次。

目前我們還不能精確的預(yù)測地震的到來，并且這種情況可能在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)還將持續(xù)下去。因此，我們更應(yīng)該做的是做好防御，而不是預(yù)測地震。

在地球內(nèi)部傳播的地震波，分為縱波和橫波?？v波會導(dǎo)致地面上下顛簸振動，而橫波則會引起地面的水平晃動。由于縱波的傳播速度大于橫波，在地震發(fā)生時，一般人們先感到上下顛簸，過數(shù)秒到十幾秒后才會感到水平晃動。橫波是造成破壞的主要原因。

（二） 地震時造成人員傷亡的主要原因

據(jù)統(tǒng)計，地震直接造成人員傷亡并不大，但因地震而倒塌的建筑物會造成大量的人員傷亡。地震致災(zāi)的另一個原因在于其瞬時突發(fā)性。地震的發(fā)生具有突然性，整個過程僅持續(xù)數(shù)十秒，人們往往來不及采取逃生措施。例如發(fā)生在凌晨三點的唐山大地震造成242769人死亡，而里氏震級更高的汶川大地震，僅造成69227人死亡，比唐山大地震少得多。最主要的原因就在于汶川大地震發(fā)生在下午14時28分即人們上班期間，人們能夠有更充足的反應(yīng)時間。

（三） 防震房的設(shè)計思路

由于農(nóng)村地區(qū)大部分為平房，如果地震發(fā)生在人們清醒時，那么在縱波發(fā)生人們感知到地震到橫波產(chǎn)生破壞的十幾秒時間內(nèi)，人們完全能夠從房屋內(nèi)跑到空曠地區(qū)，從而最大限度地避免了人員傷亡。這樣，我們要解決的問題就轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在人們休息時無法采取自救措施時如何保護(hù)自身。

根據(jù)上述的原因分析，防震首先需要解決建筑物倒塌對人員的傷害問題。這里我們設(shè)計采用一種防震床，防震床由主體、蓋板和控制系統(tǒng)組成。主體和蓋板均采用足夠堅硬的鋼材，能夠承受建筑倒塌時的沖擊力。蓋板升起時能夠保證人們正常休息時的舒適性，蓋板落下時能夠與主體構(gòu)成一個相對封閉的空間，保證人們的人身安全?？刂葡到y(tǒng)能夠在接收到地震信號后控制蓋板落下。此外，在床箱內(nèi)預(yù)先放置好氧氣瓶、食物和水、充電寶、手機(jī)和手電、藥品和急救箱等物資，確保人們即使在倒塌的房屋內(nèi)被困，也能堅持到救援人員的到來。

其次，為了解決由于地震瞬發(fā)突然性導(dǎo)致人員無法采取自救措施的問題，我們設(shè)計采用一個電動機(jī)，在地震發(fā)生時將防震床從房間內(nèi)拖到房屋外。

最后，為了解決地震無法預(yù)測的問題，我們利用縱波和橫波傳播速度不一致、且縱波破壞力遠(yuǎn)小于橫波的特性，設(shè)置了地震傳感式開關(guān)。能夠在縱波發(fā)生時產(chǎn)生地震信號，接通電路，控制防震床蓋板落下和將防震床拉出。

解決這三個問題后，當(dāng)?shù)卣鹬衅茐牧?qiáng)的橫波到達(dá)時人員和防震床均處于安全地帶。即使由于震源深度貼近地表，縱波與橫波之間的間隔較短時防震床沒能拉出房屋，由于防震床的特性，也能保證人員安全并堅持到救援人員到達(dá)。

二、 簡易防震房的制作方法

制作簡易防震房重在演示原理，啟發(fā)思路，且農(nóng)村中學(xué)實驗器材短缺現(xiàn)象比較普遍。因此，在選取實驗器材時，應(yīng)選取日常生活中低成本易獲取的材料，保證人人做的起實驗。

（一） 實驗原材料

KT板2張、鞋盒1個、吸管4根、7號電池4節(jié)、3V微型電機(jī)1個、3V微型推拉式電磁鐵4個、直徑1cm鋼珠1顆、塑料皮帶輪1個、導(dǎo)線若干、電池片若干（KT板和鞋盒均可用任意硬紙殼代替，7號電池可用實驗室學(xué)生電源代替）。

（二） 所需工具

熱熔膠槍1把，膠棒若干、小刀1把、剪刀1把（熱熔膠槍和膠棒也可用膠水代替）。

（三） 制作方法

1. 制作防震床

從鞋盒中取長方形紙片，用熱熔膠粘成長方體床箱，在箱體的四角設(shè)置長方體立柱作為床蓋的支撐。在床的底部設(shè)置為四個暗格，分別用于存放氧氣瓶、食物和水、充電寶、手機(jī)和手電、藥品和急救箱等物資。并在床板上開一個小門，便于存取物品。

床的蓋板為長方形，角上設(shè)置4個吸管作為蓋板的支撐并插入到床箱內(nèi)的支柱內(nèi)。在床的兩側(cè)護(hù)欄上靠近支柱的位置安裝4個3V微型推拉式電磁鐵，使電磁鐵伸出時能夠進(jìn)入支柱上開的小孔內(nèi)，電磁鐵縮回時能夠完全從小孔內(nèi)縮回。

四個微型電磁鐵的電線采取并聯(lián)方式連接，并從防震床側(cè)面護(hù)欄上穿出，一端與開關(guān)連接，一端與電池組負(fù)極相連。

電路斷開的情況下，4個電磁鐵伸出鐵棒穿過支柱和吸管上的孔將蓋板固定在打起的位置，不影響日常使用;當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，電路接通，電磁鐵鐵棒縮回，吸管和蓋板失去支撐力，在重力的作用下自然下落，蓋板與床主體的護(hù)欄配合形成一個封閉空間，保護(hù)人們免受建筑倒塌的威脅。

圖1?防震床

2. 制作電池組和電機(jī)

利用KT板和熱熔膠制作一個長方體盒子，在兩側(cè)利用購買的7號電池和電池片構(gòu)建一個4節(jié)7號電池串聯(lián)的電池組。在電池片上有預(yù)制的小孔便于連接導(dǎo)線。

用熱熔膠和KT板將3V微型電機(jī)固定在電池組上方，電機(jī)的輸出軸上套上皮帶輪，皮帶輪上纏繞著細(xì)線與防震床相連。電機(jī)正極與電池組正極相接，負(fù)極與地震傳感式開關(guān)相連。這樣，當(dāng)電路接通的時候，電機(jī)工作帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)將防震床從房屋內(nèi)拉出。

圖2?電池組

3. 設(shè)置地震傳感式開關(guān)

在實際應(yīng)用中，應(yīng)使用地震儀感受地震信號，且地震儀應(yīng)配置于床體內(nèi)部，但考慮到高中學(xué)生的知識面和便于觀察，對實際問題進(jìn)行了簡化。利用地震時產(chǎn)生晃動導(dǎo)致鋼珠從平臺上落下接通電路作為傳遞地震信號的方法，并將其作為一個單獨的模塊設(shè)置于床體一側(cè)。

地震傳感式開關(guān)由鋼珠、軌道及電池片組成。軌道由硬紙殼粘制而成，呈斜坡狀。軌道頂部設(shè)置一個平臺，用于放置鋼珠，軌道斜坡便于鋼珠滾動。軌道底部兩側(cè)用熱熔膠固定有兩個電池片，前部用紙片設(shè)置一個擋板，保證當(dāng)鋼珠落到底部后正好位于兩個電池片中間并接通電路。電池片一端與微型電機(jī)負(fù)極相連，一端與電磁鐵正極相連。

實驗時，晃動房屋或者撥動鋼珠使其沿軌道下落到斜坡底部，鋼珠使兩個電池片之間的電路導(dǎo)通。此時，電磁鐵通電狀態(tài)下使鐵棒收縮退出塑料吸管上的孔，蓋板在重力作用下自然下落與防震床主體形成封閉空間。同時，電動機(jī)工作帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)，通過細(xì)線將防震床從房屋內(nèi)拖出。至此，地震中人們的生命安全問題得到了圓滿的解決。

三、 關(guān)于防震房的拓展與思考

防震房的制作過程也是學(xué)生分析解決問題的過程，作為教師，不僅要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會簡化問題，將復(fù)雜的地震防范過程簡化為三個具體的問題，也要引導(dǎo)學(xué)生在得到問題的解決方案后，還能夠認(rèn)識到實驗設(shè)計與實際問題中的差距，以便使學(xué)生在解決實際問題時能夠形成正確的思維方式。

比如，在這個實驗中，我們采取鋼珠導(dǎo)通電路的方式傳遞地震信號是不可靠的，如果縱波來臨時鋼珠垂直起落或者往導(dǎo)軌另一側(cè)傾斜都有可能導(dǎo)致鋼珠不進(jìn)入軌道，在實際問題中這可能是致命的。因此，必須使用地震儀作為地震信號的來源。第二，如果防震床使用鋼材，本身的質(zhì)量將變得相當(dāng)沉重，使用細(xì)線、微型電機(jī)是不現(xiàn)實的。因此，在實際應(yīng)用中會使用交流電源，大功率電機(jī)，并且防震床必須加裝輪子以減輕摩擦力甚至需要設(shè)置導(dǎo)軌。第三，防震床到達(dá)室外時無法停止，相應(yīng)的可以設(shè)置一個繼電器電路使床到達(dá)指定位置時能夠自動停止。

物理是一門實驗學(xué)科，學(xué)生也絕不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)，能夠引導(dǎo)學(xué)生通過物理學(xué)知識解決實際問題，感受物理的魅力對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣至關(guān)重要。10月28日01時56分，甘肅甘南地區(qū)發(fā)生里氏5.7級地震，會寧縣出現(xiàn)明顯震感，學(xué)生對此非常關(guān)注和憂慮。因此，我引導(dǎo)學(xué)生利用高中物理知識來分析和解決這一實際問題，所有學(xué)生立即表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣。由此可見，在農(nóng)村高中開展物理實驗教學(xué)，實用性是實驗設(shè)計中相當(dāng)重要的一環(huán)。

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作者簡介：

楊志娟，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市會寧縣第一中學(xué)。