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第9章 材料、仪器的巧用、妙用(6)

用白纸剪成一个直角三角形(其斜边相当于斜面),如图6卷在铅笔上,就成了螺旋。

稳定平衡、不稳平衡、随遇平衡把铅笔分别如图8(甲)、(乙)、(丙)放在水平桌面上试验之,(甲)为不稳平衡,(乙)为稳定平衡,(丙)为随遇平衡。

若如图9,在铅笔下部插一把小刀,即可让铅笔尖朝下立在手指上保持稳定平衡而不倾倒,可让学生解释其原因。

两只眼睛确定物体的位置

如图10所示,两手各拿一支铅笔,当你闭上一只眼睛,要使笔尖准确相碰相当困难,若用两只眼睛,就很容易办到。因为人要靠两只眼睛才能确定铅笔尖的位置,即铅笔尖的位置在它射向眼的这两条光线反向延长线的交点上。

10观察光的衍射现象

把两支铅笔并在一起,中间留一条狭缝,眼睛通过狭缝去看远处的日光灯(使狭缝和灯管平行),可以看到许多彩色的衍射条纹。

铅笔芯在物理实验中的巧用

铅笔芯具有导电性,它与金属导体相比,具有密度小,易研碎,且能涂在物体表现的特点。

因此,它在物理实验中有许多独到的用途。山东沂水第二中学马骥、窦忠仁老师举了例:

做导体用

在初、高中物理课中,都有“磁场对电流作用”的演示实验,按现有仪器,导体都用铜管制成,由于铜管质量大,往往使实验效果不佳,我们用铅笔芯代替铜管,使导体质量大大减小,在同样实验条件下,产生的加速度及在磁场内通过的距离比铜管大的多,提高了实验效果。

修补和制做导电纸

在做模拟电场实验中,需用导电纸,在实验过程中,导电纸易被金属探针或螺帽磨损,使线路接触不良,影响实验进行,此时可用铅笔芯把磨损处涂一涂,导电纸即可修复。

此法也可用来制做导电纸:用60g的纸,按所需导电纸的大小裁好,在其中一面用铅笔芯均匀地涂二至三遍,一张导电纸就制成了,或在上述纸的表面涂上一层胶,把已研细的铅笔芯粉末均匀地撒上一层,用玻璃板压在上面,待干后使用,效果更好。

修补滑动变阻器和电位器

滑动变阻器在电学实验中用途很广,但长期使用后,会出现绕线松动,线圈出现凹凸不平的现象,造成绕线与滑动触头接触不良,这时,用铅笔芯把线圈与触头相接部分涂几下,将滑动触头来回移动几次,滑动变阻器就能正常使用,涂铅时应沿绕线方向进行,以免线圈短路。

电学实验中也常用电位器,电位器易出现的毛病是内部碳膜局部磨损,使用时阻值时大时小,电路时通时断,修复的方法是,用一些铅笔芯末,从电位器小孔中注入,手拿电位器手柄旋转几下,再接入电路使用,效果良好。

代替打点计时器的打点针

中学实验室所配的J0203型打点计时器,打点针用金属制成,使用时需备复写纸才能打点,当复写纸用久或不转动时,在纸带上就打不上点。我们用铅笔芯代替金属打点针,巧妙地弥补了此仪器的不足。做法是:取一只细径的活动铅笔,把笔头截下(大约2cm),然后取下计时器振动片上的金属打点针,换上截好的笔,装上铅笔芯,去掉复写纸,就可使用了。

打点计时器的使用

打点计时器是高中物理学生实验多次用到的仪器。利用这仪器可以把物体的直线运动情况记录在纸带上,然后进行分析、研究、作出相应的结论。

打点计时器由于结构简单,其原理学生易于理解,而且打出的点也一目了然,便于进行计算和分析,因而师生们乐于使用。不过,学生在使用打点计时器时也经常出现一些问题。这些问题大致可分为两大类:第一类是异常情况。

如励磁线圈断线。串联的二极管损坏,电压过低或调节螺母的松紧不当致发生停振,打点针的固紧螺母松动导致打不出点,电压过高导致复写纸被打穿影响纸带行进,等等,这些都是必须修理后才能继续使。二类是正常使用时,由于纸带在移动中受到摩擦阻力,或发生跳动,致打点所得的数据有较大误差。

探索了属于第二类的问题,即正常使用时误差发生的原因及如何减少误差的一些意见。

关于纸带跳动的问题

纸带在平移的过程中,当打点针打了一定的点数后,常会出现“跳动”的现象。例如在“验证机械能守恒定律”的实验中,当重物竖直地加速下落时,一般在经过七八个点,即约015s后便开始“跳动”了。这里的所谓“跳动”,就是两个连续计数点间距离之差△S从接近相等至发生较大的变化,甚至会变成负值。如果以△S之值作为纵坐标,以打点时间t作为横坐标,则如图1所示。

从多次实验可知,由于使用电压的不同,纸带的不同,△S的跳动幅度有时大些,有时小些;跳动出现的时刻也有些早迟,但“跳动”总是会出现的。

从速率看来,当物体竖直下落的速率达到014-017m/s时便开始明显的跳动了。那么跳动的开始是否只跟速率的大小有关,还是由于打点器跟纸带相互作用了一定的时间后所产生的?为了弄清这个问题,让我们再来看小车在重力作用下沿斜面运动时的打点情况。图2所示是△S与t之间的关系。图中虚线①是斜面的倾角较小,约为4°;实线②是倾角较大,约为8°,速率的增大是比较快的。两图线都是从第40点算起。

在图2中,倾角约为8°时小车的速率达到1m/s才开始明显的跳动;但倾角约为4°时,小车的速率从035m/s起便开始跳动了,且跳动的幅度还略带周期性的变化。在图2中为了跟8°的对比,故只画出了4°的一部分,如果把4°的从第50点至90点的△S全部画出,则如图3所示。

从以上这些图线可以看出:(一)“跳动”的发生是相当普遍的;(二)产生跳动的原因主要是由于打点器跟运动纸带的相互作用,而不是速率达到一定的大小才开始的。

所以,为了减轻这种“跳动”现象对实验的影响,比较有效的办法是把每打K次点的时间作为时间的单位,K可取2、3、5或10等,使△S的值由于平均而减少摆动。例如,上述的小车在倾角约为4°的斜面运动时,若取每打10次点的时间作为时间单位,则△S与t的关系如图4所示。这时△S比较接近平均值14mm,各个△S在误差范围内便可看做是相等的了。

关于摩擦阻力问题

纸带在移动时必然会受到复写纸的摩擦阻力,特别是打点针在打下时,复写纸对纸带压得更紧些,摩擦阻力也就更大些。

从理论上说,打点器每次只应打下一个点,但事实上,有些打点器每次会打下二个、三个甚至五个点一串的。每次打的点数多了,复写纸压紧纸带的时间便会较长,因而摩擦阻力往往会更大些。例如,在利用打点计时器来测定重力加速度时,每次(002s)打五个连续点的,算得的g为57-60m/s2,每次(002s)打三个连续点的,算得的g为65-79m/s2。

当然,还没有足够的证据说明摩擦力的大小与每次的打点数有正比之类的关系,但打点针压复写纸的力较大或时间较长,都会使摩擦阻力增大,这是容易理解的。

为什么打点器每次会打下几个连续点呢?我把这副每次会打几个连续点的打点计时器,用学生用的示波器来检查,把振动片接在示波器的“Y输入”,打点基板接示波器的“地”,看到其波形如图5所示。说明打点针与打点基板的接触时间的确是过长了。

另一套打点计时器的波形较好,如图6所示。用这打点器测出的g值为79-81米/秒2,说明纸带在复写纸间移动时受到的摩擦阻力较小。再看这纸带的点,每次只有一个较深色的点及另一个较浅色的点相连。

附有一个串联二极管的打点器,容易发生每次出现二个或几个连续点,而用永久磁铁的较少发生这种情况,最多也只是每次在大点后面,有一个淡淡的小点。如果在有二极管的打点器中多串联一个较好的二极管,则连点的现象大为减轻,如原来每次有三个连点的,多串联一个二极管后,变为只有二个原点,而且这两个连点中的另一小点也淡得多。说明有些质量不符合要求的二极管,会使连点现象大为加重,从而也就增大了纸带在运动时所受到的摩擦阻力。

为了避免或减轻连点的现象,除了选购有永久磁铁的打点器,或在有二极管的打点器中串联一个整流特性较好的二极管外,较为方便的有效办法是细心调好振动片的固有频率,使在共振中得到较大的振幅。这是减小连点也就是减小摩擦阻力的一个方法。

总的说来,我们对于打点器所引起的实验误差的初步意见是:在使用打点器之前调好振动片的固有频率或改善二极管的整流特性以减少连点,在打点后,采用每打若干个点的时间作为时间单位,以减轻跳动的影响。

用两片载玻片,做三个小实验

显微镜载玻片一般都比较平整、光洁,浙江绍兴市东湖中学何海明老师介绍了其中一种厚度为1mm的载玻片特别适宜做以下三个小实验。

空气膜干涉

演示空气膜干涉,有牛顿实验装置和学生课外小实验,紧压两片玻璃片观察彩色花纹。

我们用载玻片做空气膜干涉实验相当理想,上课时,每人发两片载玻片,一张镜头纸,指导学生把玻璃片擦试干净,不要留下纤维绒毛,然后把两片载玻片合在一起,略用力挤压,立即能看到色彩鲜艳、花样别致、并会随着压力变化而变幻的空气膜干涉花纹。

固体分子引力

表现分子引力,有一个很好的传统实验,两个圆柱形铅块相互挤压后粘在一起,然后底下挂上一长串钩码,学生看了实验演示后,也想试一试。这时每人分发两片载玻片,一张擦镜纸,让学生动手把载玻片擦干净搭在一起,然后用力辗压,有人会发现辗压后,两片载玻片竟“粘”在了一起,于是有的流露出惊奇,有的表现出兴奋。只要载玻片洁净,花点耐心,一般情况下实验都会成功。这个实验可加深学生对分子引力的感性认识。

毛细现象

用毛细管演示毛细现象,因毛细管尺度小,课堂演示时集体观察效果就差了。讲毛细现象时补充一个小实验,可加深学生对毛细现象的认识。每人分发两片载玻片,一张擦镜纸,把玻璃片处理干净合在一起,再在桌上滴上一小滴蓝墨水,夹紧玻璃片齐缝竖置在墨水滴上,可见墨水顺着缝隙上“爬”,一会儿把整片玻璃“染”成了蓝色,毛细现象一目了然。

钢锯条做物理实验五例

描绘阻尼振动曲线

在钢锯条一端用线绳固定一软笔尖,另一端用螺丝固定一方木板a,将a与木板底座b固定。

实验时,先给笔尖蘸上墨水,取一长方形纸板放在笔尖下面,并使笔尖刚好与纸板面相接。

拨动锯条的自由端使之振动,匀速拉动纸板,便可描绘出阻尼振动曲线,如图1所示。

演示横波

在图1中的笔尖处系一条柔软的长棉线绳,将木板底座b平行于桌沿放好,使锯条伸出桌沿,线绳自由下垂。拨动锯条使之振动。如频率过快,可在锯条自由端吸一小块磁铁或用其它方法来增加锯条自由端的质量,从而使锯条的振动频率减小。再使锯条振动,就可看到线绳形成自上而下传播的横波。

演示驻波

在图2中,钢锯条的a端系一条约1m长的白棉线绳。实验时,让一名学生用手压住锯条的b端于桌沿处,并使锯条伸出桌沿约15cm,让另一名学生拉住线绳c端,松紧适宜。拨动锯条a端使之上下振动,即可观察到线绳上所形成的驻波。

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