用陶瓷片改進分子引力實驗

管 余 黃 杰

(1. 河北興隆縣三道河鄉中學,河北 興隆 067301; 2. 南京中華中學,江蘇 南京 210000)

用陶瓷片改進分子引力實驗

管 余1黃 杰2

(1. 河北興隆縣三道河鄉中學,河北 興隆 067301; 2. 南京中華中學,江蘇 南京 210000)

利用陶瓷片代替鉛柱進行分子引力的實驗,借助DIS系統中的力學傳感器,檢驗實驗改進后的效果,發現操作簡單,實驗效果顯著,教學效度高．

分子引力;陶瓷片;力學傳感器

1 問題的提出

分子引力實驗是初高中物理教學的重點,利用實驗說明分子力的存在．在現行的主流教材中,都是采用鉛柱來進行實驗,實驗中要求將兩塊鉛柱端面削平,用力壓緊,下方吊起重物進行實驗．但是在實際操作中,鉛柱的端面難以削得很平整、光滑,兩個鉛柱難以緊密接觸,很容易造成實驗失敗．并且每次實驗之后,鉛柱截面又出現凹凸不平的擠壓痕跡,教師需要再次刮削鉛柱,較為麻煩．除此之外,部分學生會認為鉛柱發生了一定的形變,由此聯想到粘土、橡皮泥等物質,造成概念不清,思維混亂,教師對此也難以解釋．除了利用鉛柱進行實驗以外,在教科版九年級(上)物理教材中用粗熔絲(保險絲)進行實驗,將粗熔絲斜切成兩段,再將兩段平滑表面接觸起來,再吊起重物．實際操作中由于熔絲直徑較細,擠壓時為了產生較大的分子引力,要注意巧勁,且每次實驗都要消耗一些熔絲,不能再次回收,造成了很多的浪費．

本文中的器材源自生活,利用水龍頭閥芯(圖1)

圖1

中的白色陶瓷片進行實驗,這種陶瓷片一般采用干壓工藝生產,強度高,表面平滑,壓緊之后,能夠輕松的掛起重物,實驗現象明顯,學生也能簡單操作,教學的效度非常高．

2 實驗設計和驗證

2.1 陶瓷片的選擇和加工

水龍頭閥芯中的兩個陶瓷片分為靜片和動片,其中靜片整體是圓形,接觸面相對較大(直徑約14mm),本文中將其作為實驗對象,研究兩個陶瓷靜片之間的分子引力,用膠水將繩子粘牢在靜片背部(圖2),方便鉤拉物體．

圖2

2.2 實驗效果的驗證

考慮到利用鉤碼或彈簧測力計進行實驗時,干擾因素多,數據處理困難,這里利用DIS系統中的力學傳感器來研究陶瓷片間引力的變化,通過數據采集和過程記錄,提高了實驗精度和效度．

將兩個陶瓷靜片光滑部分壓緊后,掛在鐵架臺上(圖3),在其下方掛上力學傳感器,調整初始數據后,用手豎直向下拉動傳感器,進行實驗(圖4)．

圖3

圖4

通過DIS軟件數據處理,得到拉力和時間的圖形(圖5)．剛開始沒有施加拉力時,傳感器自重約為2N,隨著拉力的增大,兩個陶瓷靜片并不分開,說明陶瓷片分子間存在拉力;繼續增大拉力,當拉力達到約10.5N時,兩個陶瓷片才分開,說明兩個陶瓷片雖然面積很小,但產生的分子引力較大,實驗現象明顯．

圖5

將兩個陶瓷片再次壓緊后,重復實驗,得到新的圖形(圖6),此次實驗中最大拉力約為12.5N．

圖6

分析以上數據之后,發現利用陶瓷片進行該實驗主要有如下優點:

(1) 效果穩定,效度很高.

多次實驗后,發現該組陶瓷片能承受的最大拉力在10～15N之間．最大拉力的不同說明每次實驗中最大分子力不同,主要是由于壓緊陶瓷片的程度和兩個陶瓷片重合程度影響的．

(2) 操作簡單,可以分組實驗.

相對于鉛柱和粗熔絲,利用陶瓷片進行實驗時,操作很簡單,只要將陶瓷片壓緊,就能產生較強的分子作用力,在實際教學中,可以進行分組實驗,提高學生動手體驗的樂趣．

(3) 可以重復利用,避免浪費.

這種陶瓷片重復多次后,實驗數據沒有太大的影響,在清理陶瓷片表面并密封保存一段時間后,能重復使用,能產生很好的實驗效果,相對與鉛柱和粗熔絲,可以減少浪費．

(4) 源自生活,材料環保.

這種陶瓷片在生活中很常見,新的及廢棄的陶瓷閥芯均可利用,材料易獲得且環保,陶瓷制品無污染．

3 總結和建議

在課堂教學中,可利用傳統的鉤碼進行實驗,效果直觀明了,學生很感興趣,可以能產生很好的教學效果(圖7),但要注意,不要污染陶瓷片的接觸面;在擠壓時,要保持一定的時間和力度,讓陶瓷片產生較大的分子力之后再掛重物．

這種陶瓷片的成本不高,可以引導學生在家進行實驗(圖8),利用該陶瓷片可以輕松提起一件單衣,增強學生的體驗和樂趣;可以利用開設分子間作用力的開放性課題,促進學生尋找發現新的材料,自己動手DIY并進行實驗,培養學生的科學精神,促進學生實踐創新素養的養成．

圖7

圖8

1 曹鵬,王偉民.夾層有水玻璃難分開的主要原因不是分子引力[J].物理教師,2014(9)：60.

2017-02-13)