牛頓管實驗的改進

郭柏巖

應用牛頓管研究“重力作用下物體的運動”，是中學物理教學的一項重要內容，也是教學難點所在.教學中必須認真研究實驗，精心設計實驗.只有實驗易于操作、實驗原理易于理解、實驗現象簡單直觀明了，才能使學生對物體運動中動力學原理的理解和動力學概念的構建，起到切實的幫助作用.因此，這一實驗演示效果的好壞，關系到本節課教學結果的成敗.因此，有必要對該實驗進行改進.

教學用牛頓管是一根長約120 cm，一端封閉一端帶有氣嘴的玻璃管.是牛頓設計的用以驗證在真空中，物體下落速度與物體重量無關的裝置.牛頓管的出現，使伽利略的理論從純理論研究進入實驗驗證階段，并通過實驗得到正確驗證.因此，牛頓管對經典力學理論的建立中有著不可磨滅的貢獻.三百年來，人們一直沿用它來進行物理實驗和物理教學.在教學中，筆者發現用現有的牛頓管實驗時，若物體下落開始沿著管壁滑落，會存在觀察效果不佳的缺陷.為此，筆者對牛頓管進行兩項改進，使實驗可視性更高，效果更明顯.圖1（1）是在紫外線燈光照射下，涂有熒光物質的鐵片和羽毛的運動情況，底部發亮是玻璃管底部反光造成的；圖1（2）是改進后的牛頓管實物圖，玻璃管上端黑色部分是電磁鐵，下端是LED燈和抽氣嘴.

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1在牛頓管頂部正中央加裝電磁鐵，保證物體同時下落并不與管壁摩擦

常見的牛頓管使用過程中，實驗者是靠物體自身重力作用，使物體停留在牛頓管的底部，然后迅速使牛頓管在豎直面內旋轉180度，物體在管中下落.這就難以保證管中兩個物體同時下落，同時由于旋轉，物體一開始下落時會和管壁接觸，管壁的作用力，增加了實驗的干擾因素.影響實驗效果.為此，我們把牛頓管的封閉段斷開，用長度5 m、直徑為0.21 mm的漆[LL]包線（35號線）制成線圈，其允許通過電流是0.176 A～0.281 A，加4 V～6 V直流電壓，制成一個電磁鐵，用丙烯酸酯和固化劑予以封閉.實驗時接通電源讓鐵片壓著羽毛并被電磁鐵吸在玻璃管頂部中央位置，斷開電源使其同時下落.

2給下落的鐵片和羽毛涂上熒光物質，在紫外線作用下使其發光，便于學生觀察

由于物體在牛頓管中下落時間很短，玻璃管面反射光作用很強，不便于觀察運動情況.為此，我們把實驗中所用的鐵片和羽毛，涂上熒光物質，使其在紫外線照射下發光，以利于觀察.

熒光是某些物質受到一定波長光的激發后，在極短時間內發射出的波長大于激發光波長的現象.筆者以異硫氰酸熒光素（FITC）作為熒光材料混合清漆，稀釋劑按1∶3∶5的比例混合，涂到鐵片和羽毛上待干燥后使用.羽毛上的涂層要薄一些，防止因油漆過多羽毛空氣中運動阻力相對減少.在玻璃管的底部加裝5W的LDE紫外線燈（直流工作電壓3.4 V～3.8 V），加聚光燈罩，用粗孔金屬網罩住聚光燈罩，防止物體下落砸壞紫外線燈，同時起到緩沖作用.把燈及聚光燈罩固定在玻璃管的底部，把電源線引出并封閉.為防止普通鐵片和電磁鐵接觸被磁化，避免斷開電磁鐵電源后鐵片不下落的情況出現.鐵片的材料要用軟鐵材料，我們把四個軟鐵薄片焊接在一起，使之成為正四面體.這樣在物體下落過程中，可以使觀察者在不同的角度都能看到物體發光的一面.在玻璃管外壁的半個側面粘上黑色不干膠帶以增強遠端觀察者的視覺效果.

3使用方法

（1）抽真空之前，接通電磁鐵電源，調整四面體鐵片，使其一面被電磁鐵吸住并壓緊羽毛.牛頓管處于豎直狀態，帶有電磁鐵的一段在上面.接通紫外線燈電源使其發光.然后斷開電磁鐵電源，使涂有熒光物質的四面體鐵塊和羽毛一起下落，觀察物體在空氣中先后落到底部的運動情況.

（2）用抽氣機通過氣嘴把牛頓管抽成接近真空，重復上述步驟，觀察物體在真空中自由下落，同時落到底端的運動情況.

注意的問題：若長時間通電，會使紫外線燈過熱.所以使用后應立即關閉紫外線燈的電源，避免燒壞燈泡.

筆者經過多次實驗和改進，在課堂上應用改進后的牛頓管進行實驗操作，有效地解決了以往教學中存在的實驗不易操作，干擾因素多，不易觀察等問題.實踐證明，教學效果良好.