用筆芯來制作兩種測量工具

宋藝華

摘要：實驗是中學物理教學的基本方法，開發和利用低成本實驗是物理教師必備的能力。本文介紹了利用筆芯設計制作兩種物理測量工具的原理、方法及在物理教學中的應用。

關鍵詞：筆芯；溫度計；密度計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2009)6(S)-0053-2

《物理課程標準》倡導利用日常器具做實驗，它不但具有簡便、直觀等優點,而且有利于學生動手，發展學生的實驗技能，培養學生的創新意識。其實，我們可以利用身邊的物品做許多物理實驗，只要我們細心挖掘、精心設計，就能夠設計出更多低成本、高智慧的物理小實驗。

筆芯是現代社會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，且有的筆桿上標有刻度，生活中隨手可得。根據筆芯的這些特點，筆者介紹兩種利用筆芯設計物理測量工具的方法。

1 用筆芯制作氣體溫度計

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

找一個用完的筆芯，清除筆芯內的廢油，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，即把一個用完的筆芯浸在沸水中約2min，加熱至筆桿內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，待高錳酸鉀水溶液進入筆桿內穩定后取出，筆芯溫度計的工作介質是筆桿內被密閉的氣體。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。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，穩定后筆桿中液面所對的位置就對應的是0℃，想辦法把它標記在筆桿的一側（如果筆桿上有刻度，就記住液面所對的刻度），如圖1所示。

標記其它溫度值的方法有兩種：一種方法是把筆芯溫度計放入不同溫度的水中，如：20℃、30℃、50℃……用實驗室的溫度計對照，在相應位置標記下來，這樣不同的氣柱長度就對應著不同的溫度，下表給出一組參考數據：

氣柱長度/cm7.327.868.6610

溫度/℃冰水混合物0室溫2050沸水100

另一種方法是根據蓋?呂薩克定律確定：

當t0=0℃時，T0=(t0+273.15)K，氣柱長度為l0，體積V0=Sl0，其中S為筆桿內徑截面積；當t≠0℃，T=(t+273.15)K，氣柱長度為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l0已知時，我們可以推算出任意溫度t下的氣柱長度l。例如：當t=50℃時，l=8.66cm。這樣分別計算出各個溫度下所對應的氣柱長度，用刻度尺就可以為筆芯溫度計標上刻度。

由（2）式可知，當l0已知時，可以推算出任意氣柱長度l所對應的溫度t，如：在某一溫度下，用刻度尺測出氣柱的長度為l=8.66cm，那么，依據（2）式可以計算出該溫度t=50℃。

另外，筆芯溫度計上的刻度應該是均勻的，請讀者闡明其中的道理。

1．3 教學運用

學完溫度計后，可以讓學生自制筆芯氣體溫度計，這樣不僅能夠讓學生理解氣體溫度計的原理，還能夠培養學生“變廢為寶、化腐朽為神奇”的創造精神和實踐能力。

在學完氣體方程后，可以讓學生用自制的筆芯氣體溫度計裝置驗證蓋?呂薩克定律。

1．4 實驗分析

筆芯氣體溫度計測量的量程為0～100℃，若想測量0℃以下溫度，可更換凝固點較低的液體，精密度與刻度尺的精密度有關，也可以使用筆桿內徑較小的圓珠筆芯進行實驗，減小實驗的誤差。

筆芯氣體溫度計測量的誤差可能與以下因素有關：（1）外界的大氣壓強，大氣壓會隨著季節、天氣及海拔高度等因素的變化而發生變化；（2）測量時放置的方法，不同的放置方法，會因為液柱的重力導致測量結果出現偏差，建議水平使用（與確定溫度計刻度時放置位置相同）；（3）測量氣柱長度時要留意筆芯內有無剩余的筆油。

2 用筆芯制作液體密度計（比重計）

2．1 材料

筆芯、鐵絲(直徑略小于筆桿內徑)

2．2 制作方法

找一個用完的筆芯(最好是筆桿細長的圓珠筆芯)，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，放入筆桿內靠近筆尖的一端，直至它能夠豎直漂浮在水中（如圖2），在水面所對應的筆桿位置上做記號并標上數字“1”，表明密度為1×103kg/cm3，還可以把它放入酒精、鹽水等液體中，在液面所對的位置上標記對應的液體密度值，如：0.8等。

2．3 教學運用

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

2．4 實驗分析：

因筆芯較小，不必讓學生準確測出每種液體的密度，只要能夠利用密度計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，也請讀者試著分析其中的原因。

(欄目編輯王柏廬)