開發(fā)新穎器具 助力物理實(shí)驗(yàn)

楊奎三

(山東省滕州市第一中學(xué),山東 滕州 277599)

物理實(shí)驗(yàn)講究原汁原味,希望用最樸實(shí)的儀器來說明最本質(zhì)的原理. 但科學(xué)技術(shù)日新月異,我們不能總是用老舊的研究方式來引領(lǐng)學(xué)生的探究活動(dòng),在條件允許的情況下,完全可以借助先進(jìn)的儀器設(shè)備,開發(fā)新穎實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生的探究更便捷,讓獲得的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確. 微型電子秤就是其中很有代表性的一款產(chǎn)品,它的開發(fā)給物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了新思路和新手段,現(xiàn)將幾個(gè)實(shí)驗(yàn)介紹如下,以期和各位物理同仁共同努力.

1 助力研究實(shí)驗(yàn)——“磁剎現(xiàn)象”

圖1 “磁剎現(xiàn)象”示意圖

如圖1所示,一根長(zhǎng)1m左右的金屬管豎直放置,把一枚磁性很強(qiáng)的圓柱型小磁體從金屬管上端放入管口. 與生活經(jīng)驗(yàn)相悖,小磁體放入管中后,過了許久它才從下端“姍姍來遲”,這種現(xiàn)象我們形象地稱之為“磁性剎車”或“磁力阻滯”. 它是楞次定律的最好例證,物理教師最喜歡拿此實(shí)驗(yàn)來示范說明,但往往“點(diǎn)到為止”——因?yàn)閷?shí)際操作該實(shí)驗(yàn)之后,反而衍生出更多的問題:為何小磁體在非磁性的金屬管中不會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)?小磁體在金屬管中是勻加速運(yùn)動(dòng)嗎?種種問題讓我們迫不及待地動(dòng)手試試,解開“磁力”神秘的面紗.

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:微型電子秤,足夠長(zhǎng)的鋁管,圓柱形強(qiáng)磁體.

取一塊較厚的泡沫塑料,先將鋁管豎直固定在它的上面(用以消除電子秤內(nèi)部鐵磁性材料與磁鐵相互作用的影響),再將泡沫塑料固定在微型電子秤測(cè)量盤中,然后將磁體從上端放入,觀察電子秤的示數(shù)變化.

如圖2所示,磁體未放置前電子秤示數(shù)為7265g;磁體從上端放入后電子秤的示數(shù)先快速增大,后穩(wěn)定于一固定數(shù)值8465g,約為管子與磁體的質(zhì)量之和.

圖2 研究“磁剎現(xiàn)象”實(shí)驗(yàn)裝置圖

力的作用是相互的,我們可以根據(jù)管子的受力,間接得出磁體的運(yùn)動(dòng)情況.設(shè)電子秤穩(wěn)定示數(shù)為N,小磁體質(zhì)量為m,銅管質(zhì)量為M,則有N=Mg+mg. 設(shè)阻滯力為F,因?yàn)殂~管靜止,所以有N=Mg+F. 由以上兩式得到F=mg,即小磁體受力平衡,故其做勻速直線運(yùn)動(dòng). 至此我們確定了磁力阻滯現(xiàn)象中物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)——?jiǎng)蛩僦本€運(yùn)動(dòng).

對(duì)于整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程,由于電子秤的示數(shù)先快速增大,后穩(wěn)定于一固定數(shù)值,根據(jù)N=Mg+F,可知從0開始阻滯力快速增大,后穩(wěn)定于一固定數(shù)值,此時(shí)阻滯力等于小磁體的重力. 根據(jù)牛頓第二定律mg-F=ma,可知小磁體最開始的加速度等于重力加速度,開始加速后隨著速度的增大,導(dǎo)致加速度減小. 當(dāng)速度增大到一定大小的時(shí)候阻滯力等于重力,此后磁體便做勻速直線運(yùn)動(dòng).

2 助力探究實(shí)驗(yàn)——探究影響電荷間相互作用力的因素

圖3

兩個(gè)帶電小球間的作用力非常微小,用實(shí)驗(yàn)室中測(cè)力計(jì)難以測(cè)量.如果采用精度為0.001g的迷你電子秤,完全可以直接測(cè)量并清晰顯示. 如圖3所示是一個(gè)高度為50cm左右的木支架(不能用鐵架臺(tái)等金屬支架,會(huì)被帶電小球影響而產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象),上面貼上一條軟刻度尺,確保零刻度線和金屬球B的球心等高. 金屬球A可以通過一個(gè)滑動(dòng)鎖定裝置上下移動(dòng),金屬球B通過絕緣桿用萬能膠固定在秤盤上,再將電子秤放在底座上. 兩個(gè)金屬球要完全相同并且質(zhì)量較小,因?yàn)榍辶愫箅娮映拥牧砍讨挥?0g.

先讓電子秤去皮清零,隨后用范氏起電機(jī)使A、B小球帶電,電子秤立即就顯示讀數(shù). 由近及遠(yuǎn)移動(dòng)小球A,將每次帶電小球球心距和電子秤的示數(shù)(換算成單位牛頓)計(jì)入表1. 表1所列是在天氣干燥的情況下實(shí)驗(yàn)獲得的1組數(shù)據(jù).

表1

利用Excel對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,做出電荷間相互作用力與距離的關(guān)系圖(如圖4所示),通過乘冪擬合,發(fā)現(xiàn)F∝r-2.011,非常接近平方反比的關(guān)系.

圖4 電荷間相互作用力與距離的關(guān)系圖

保持帶電小球A、B之間的球心距為2cm,小球的帶電量雖不可測(cè),但可利用電荷均分原理予以改變——將不帶電的相同小球C接觸帶電小球A之后,小球A的電荷量減少為原來的一半. 以此類推,設(shè)小球A原來所帶電量為Q,則每次均利用不帶電的小球C接觸A之后,小球A的電荷量分別為0.5Q、0.25Q、0.125Q,將每次的電子秤示數(shù)記入表格中.同樣利用Excel作圖并進(jìn)行線性擬合,可以清晰看出電荷間相互作用力與電荷量成正比.

3 助力創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——定量研究安培力的大小

安培力的定量計(jì)算是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn),但教材上提供的實(shí)驗(yàn)只能定性探究. 眾多教師在定量測(cè)量方面雖多有努力,但最多只能限于安培力與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度的定量測(cè)量. 對(duì)于安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度的定量關(guān)系,以及與電流和磁場(chǎng)間夾角的關(guān)系的定量研究始終無法較好攻克. 通過借鑒改進(jìn),筆者制作了安培力大小的定量研究裝置,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了安培力4個(gè)參量的定量測(cè)量. 如圖5(a)所示,該研究裝置由磁鐵、磁鐵支架、導(dǎo)軌、電子秤、角度盤、3個(gè)150匝8×18cm線圈(每個(gè)線圈在磁場(chǎng)中有效長(zhǎng)度為12m)、線圈支架、線圈電流控制電路構(gòu)成. 其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數(shù)顯電流表、開關(guān)、導(dǎo)線組成,放置于白色容器內(nèi). 其電路的內(nèi)部構(gòu)造和電路圖如圖5(b),(c)所示,通過開關(guān)1和開關(guān)2的閉合,可控制接入電路的線圈個(gè)數(shù).

圖5 定量研究安培力大小實(shí)驗(yàn)裝置及原理圖

將線圈電流控制電路與線圈整體固定并置于電子秤上,使線圈上邊框置于磁鐵兩磁極之間的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域. 打開電子秤,此時(shí)顯示屏?xí)逦@示其上所放線圈的質(zhì)量,將其歸零. 按下總開關(guān),接通控制電路電源,由于通電線圈受到安培力作用,會(huì)使電子秤所受壓力發(fā)生變化,通過電子秤示數(shù)可以計(jì)算出安培力的大小.

應(yīng)用1:實(shí)驗(yàn)之前利用傳感器對(duì)不同距離下的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)定. 實(shí)驗(yàn)時(shí)只要改變兩磁極之間的距離,分別記錄不同距離下電子秤的示數(shù),便可得到安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系.

應(yīng)用2:轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤上的轉(zhuǎn)盤,改變線圈電流與磁場(chǎng)夾角,便可記錄不同夾角下電子秤的示數(shù)并計(jì)算安培力,如圖6(a),(b),(c),(d)所示. 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理,即可得到安培力大小與夾角的關(guān)系圖像(如圖7所示),可以看出圖線基本滿足正弦函數(shù).

圖6

圖7 安培力大小與夾角的關(guān)系圖

物理學(xué)科的特色莫過于一個(gè)個(gè)匠心獨(dú)運(yùn)的實(shí)驗(yàn). 微型電子秤給物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新提供了一種全新思路和獨(dú)特手段,教師要善于從日常生活中觸手可及的器具中開發(fā)實(shí)驗(yàn)器材,用簡(jiǎn)單樸實(shí)的方式展現(xiàn)復(fù)雜過程中真實(shí)的物理內(nèi)涵,激發(fā)學(xué)生的求知與探索欲望,讓其成為撬動(dòng)物理學(xué)科深度學(xué)習(xí)的有效“支點(diǎn)”,進(jìn)而全面提高學(xué)生的科學(xué)探究及科學(xué)思維能力.