反沖實驗儀的研究與制作

萬欣欣

摘 要：“反沖運動”[1]是高中物理教學中的重點與難點，學生很難理解此運動。目前已有的反沖實驗儀，均只能從直觀現象定性反映 “反沖現象”，并未有某一實驗儀器可以清晰的定量分析“反沖現象”。本文在研究“磁懸式反沖實驗儀”及普通反沖實驗儀的基礎上，制作了實驗效果明顯的反沖實驗儀器。可以更好地服務高中“動量守恒定律”教學，同時也使學生能夠從感性、理性兩方面去全面的了解、掌握“反沖現象”。

關鍵詞：反沖 動量守恒定律 實驗儀 物理教學

中圖分類號：G652 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0189-02

伴隨著2017年高考物理考試大綱[2]的修訂，已將高中物理選修3～5重新納入到高考必考部分，使“動量守恒定律”重新成為高中物理教學的重點和難點，而作為“動量守恒定律”在實際生活中的運用，當然也變得至關重要。本文在研究普通反沖實驗儀時，發現現有實驗儀器均是以水反沖或者是蒸汽反沖，只能粗略看到實驗現象，并未能定量體現出反沖現象。筆者通過改進現有反沖實驗儀器的同時制作了“反沖實驗儀”，不僅效果明顯，并且可以定性分析反沖實驗現象。此儀器可以幫助學生更好地理解和掌握“反沖現象”。

1 實驗儀器設計思想

對“磁懸式反沖實驗儀”[3]（儀器如右圖1）而言，在蒸汽從噴嘴噴出時，由于氣體反沖作用，帶動整個自金屬球以下整個燒瓶轉動。磁鐵和金屬球之間由于磁力作用相互吸引，由于磁鐵球球切面和頂端磁鐵相連接使得噴氣反沖容易帶動金屬球以下燒瓶整體轉動。在此同時，暴露出兩個問題：其一，本實驗儀器對金屬球和磁鐵之間磁性要求甚高，筆者在研究后認為：本實驗儀器，沒有磁懸必要，若在金屬球和頂端支架處系一根細線，在瓶身周圍做適宜固定裝置防止瓶身隨意擺動，同樣可以達到此實驗儀器效果。其二，本實驗由于采用原理是靠蒸汽，蒸汽質量和噴出時速度都很難測量，在要求測量實驗數據時，難度很大。通過研究本實驗儀器和一般反沖實驗儀器[4]后筆者認為：磁懸的目的是為了減輕反沖過程中的摩擦；目前的反沖實驗儀僅能夠定性的演示反沖現象，卻無法從定量的角度演示，故筆者嘗試制作出了以下可定量測量實驗數據的反沖實驗儀器“懸掛式反沖實驗儀”。

2 儀器結構及原理

2.1 懸掛式反沖實驗儀

2.1.1 制作材料222

如圖所示實驗儀器制作材料包括：塑料瓶、塑料板、鋼鋸、銼刀、細線、小刀、強力膠水、噴嘴、刻度尺、秒表、彈簧秤

2.1.2 實驗步驟

（1）制作如圖所示實驗儀器。并用米尺測量甲、乙噴嘴至噴嘴中心半徑長度記為R甲，R乙。

（2）首先用手堵住噴嘴甲，將水裝至頂端刻度線，并用彈簧測力計測出此側面水的質量m甲1；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側面當水裝至頂端刻度線時的質量m乙2；再次用用手堵住噴嘴甲，將水裝至底端刻度線，并用彈簧測力計測出此側面水的質量m甲3；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側面當水裝至底端刻度線時的質量m乙4；最后用分別記噴頭甲底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質量為m甲，同理記噴頭乙底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質量為m乙.

（3）首先用雙手堵住兩個噴嘴，將水分別裝入到塑料瓶的兩側，使水位達到刻度線一并且使兩側液面持平。

（4）同時松開堵住噴嘴的雙手，并開始用秒表對甲、乙兩噴頭計時，并數塑料瓶噴嘴甲、乙轉動圈數等兩側水位下降至底端刻度線時，停止計時。記轉動時間和圈數分別為t1，t2；n1，n2。重復實驗求出t1，t2；n1，n2平均值，并計算出其周期T從而計算出線速度記為，。

（5）重復幾次實驗求平均值，再將噴嘴各個側面流出的水的質量分別計算重力平均值對應質量記為m1，m2。

（6）驗證動量守恒定律m1v1與m2v2的值近似相等則說明動量守恒。

2.1.3 儀器原理

通過甲、乙噴嘴所對應下降的水位，測出實驗過程中甲、乙噴嘴所對應的流出水的重力從而測出甲、乙噴嘴所對應下降的水位的質量m1，m2。通過轉動圈數和時間，可以測量出甲、乙噴嘴轉動所對應的周期分別為t1，t2。由圓周運動公式線速度大小由V=R（）計算出甲、乙噴嘴轉動所對應的平均線速度，.由于初始狀態沒有速度系統初動量為0，最后驗證和的值若近似相等，由于速度方向相反，則，驗證動量守恒定律成立。

2.1.4 實驗數據及分析

實驗數據記錄見表3。

結論：通過兩噴嘴噴出水的動量在允許誤差范圍內，近似相等。說明此系統的動量守恒。

3 儀器制作過程改進及反思

3.1 懸掛式反沖實驗儀制作過程中的改進及反思

為了使此實驗儀器能更加完善，在制作過程中做了以下改進。

（1）最初采用四個噴嘴，但由于四個噴嘴水流流速過快，實驗時間較短，并且不易測量每個噴嘴的轉動圈數和時間，在實際操作中需要參與人數過多。最終采用2個噴嘴，但噴嘴變少，動力不足，所以將扁型噴嘴變為圓形以增大水流量。

（2）為了更好地測量在轉動過程中兩個噴嘴流出水的質量，決定將塑料瓶隔開。但在隔開過程中，很難估計塑料瓶口弧段部分隔開需要透明板大小，最終決定空隙部分灌入強力膠來密封縫隙。

（3）若在瓶轉動過程中，可能有一定晃動，決定在瓶底底部放一個固定瓶不大幅度晃動的鐵架臺。

（4）避免用兩根線來懸掛塑料瓶，在塑料瓶轉動過程中兩線交叉扭動，采用一根線懸掛塑料瓶。

4 儀器制作的意義

其一，作為演示反沖的演示儀器，其最終的目的是能突出其原理和過程并能定量得出實驗數據，使此實驗儀器能更好的為高中物理教學服務。從制作儀器所需要的物質來看，既要求所選的材料低碳環保、貼近生活，又要求盡量讓使用的材料使實驗現象明顯直觀，效果達到最佳，在高中物理階段，動量守恒定律是一個比較困難，比較抽象的知識點，在教學中應該盡可能的通過實驗的手段使學生真切的感知到此反沖現象的存在，從而讓學生從現象中挖掘物理知識及內容，從而更加透徹的理解有動量守恒定律的知識，使學生能從生活走向物理，從物理回歸到生活。

其次，由生活中常見的材料所自制教具比起廠制儀器更能激發學生的動手欲望和創造性，更能讓學生感覺到科學與生活息息相關，更能有效的傳播非語言教育信息，物理實驗教學設計的種種問題，都必須歸結到物理學的理論、思想、方法和教學論的思想兩個方面來進行研究。自制實驗教具，進而發展學生和教師的主觀能動性是實驗教學的重要指導思想。

參考文獻

[1] 物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2] 孟衛東，何龍.高考物理改革，我們怎么學[J].中國考試，2017（1）：43-47.

[3] 徐光秀.磁懸式反沖實驗儀[J].教學儀器與實驗， 2001，17（11）：25.

[4] 劉銀奎.反沖運動演示實驗的改進[J].物理實驗，2003，23 （10）：33-47.

[5] 孫小川.磁懸浮地球儀控制裝置研究[D].華中科技大學， 2008.endprint