開發新穎器具 助力物理實驗

楊奎三

(山東省滕州市第一中學,山東 滕州 277599)

物理實驗講究原汁原味,希望用最樸實的儀器來說明最本質的原理. 但科學技術日新月異,我們不能總是用老舊的研究方式來引領學生的探究活動,在條件允許的情況下,完全可以借助先進的儀器設備,開發新穎實驗,讓學生的探究更便捷,讓獲得的數據更準確. 微型電子秤就是其中很有代表性的一款產品,它的開發給物理實驗創新提供了新思路和新手段,現將幾個實驗介紹如下,以期和各位物理同仁共同努力.

1 助力研究實驗——“磁剎現象”

圖1 “磁剎現象”示意圖

如圖1所示,一根長1m左右的金屬管豎直放置,把一枚磁性很強的圓柱型小磁體從金屬管上端放入管口. 與生活經驗相悖,小磁體放入管中后,過了許久它才從下端“姍姍來遲”,這種現象我們形象地稱之為“磁性剎車”或“磁力阻滯”. 它是楞次定律的最好例證,物理教師最喜歡拿此實驗來示范說明,但往往“點到為止”——因為實際操作該實驗之后,反而衍生出更多的問題:為何小磁體在非磁性的金屬管中不會自由落體運動?小磁體在金屬管中是勻加速運動嗎?種種問題讓我們迫不及待地動手試試,解開“磁力”神秘的面紗.

實驗準備:微型電子秤,足夠長的鋁管,圓柱形強磁體.

取一塊較厚的泡沫塑料,先將鋁管豎直固定在它的上面(用以消除電子秤內部鐵磁性材料與磁鐵相互作用的影響),再將泡沫塑料固定在微型電子秤測量盤中,然后將磁體從上端放入,觀察電子秤的示數變化.

如圖2所示,磁體未放置前電子秤示數為7265g;磁體從上端放入后電子秤的示數先快速增大,后穩定于一固定數值8465g,約為管子與磁體的質量之和.

圖2 研究“磁剎現象”實驗裝置圖

力的作用是相互的,我們可以根據管子的受力,間接得出磁體的運動情況.設電子秤穩定示數為N,小磁體質量為m,銅管質量為M,則有N=Mg+mg. 設阻滯力為F,因為銅管靜止,所以有N=Mg+F. 由以上兩式得到F=mg,即小磁體受力平衡,故其做勻速直線運動. 至此我們確定了磁力阻滯現象中物體的相對運動穩定時的狀態——勻速直線運動.

對于整個運動過程,由于電子秤的示數先快速增大,后穩定于一固定數值,根據N=Mg+F,可知從0開始阻滯力快速增大,后穩定于一固定數值,此時阻滯力等于小磁體的重力. 根據牛頓第二定律mg-F=ma,可知小磁體最開始的加速度等于重力加速度,開始加速后隨著速度的增大,導致加速度減小. 當速度增大到一定大小的時候阻滯力等于重力,此后磁體便做勻速直線運動.

2 助力探究實驗——探究影響電荷間相互作用力的因素

圖3

兩個帶電小球間的作用力非常微小,用實驗室中測力計難以測量.如果采用精度為0.001g的迷你電子秤,完全可以直接測量并清晰顯示. 如圖3所示是一個高度為50cm左右的木支架(不能用鐵架臺等金屬支架,會被帶電小球影響而產生靜電感應現象),上面貼上一條軟刻度尺,確保零刻度線和金屬球B的球心等高. 金屬球A可以通過一個滑動鎖定裝置上下移動,金屬球B通過絕緣桿用萬能膠固定在秤盤上,再將電子秤放在底座上. 兩個金屬球要完全相同并且質量較小,因為清零后電子秤的量程只有10g.

先讓電子秤去皮清零,隨后用范氏起電機使A、B小球帶電,電子秤立即就顯示讀數. 由近及遠移動小球A,將每次帶電小球球心距和電子秤的示數(換算成單位牛頓)計入表1. 表1所列是在天氣干燥的情況下實驗獲得的1組數據.

表1

利用Excel對實驗數據進行分析,做出電荷間相互作用力與距離的關系圖(如圖4所示),通過乘冪擬合,發現F∝r-2.011,非常接近平方反比的關系.

圖4 電荷間相互作用力與距離的關系圖

保持帶電小球A、B之間的球心距為2cm,小球的帶電量雖不可測,但可利用電荷均分原理予以改變——將不帶電的相同小球C接觸帶電小球A之后,小球A的電荷量減少為原來的一半. 以此類推,設小球A原來所帶電量為Q,則每次均利用不帶電的小球C接觸A之后,小球A的電荷量分別為0.5Q、0.25Q、0.125Q,將每次的電子秤示數記入表格中.同樣利用Excel作圖并進行線性擬合,可以清晰看出電荷間相互作用力與電荷量成正比.

3 助力創新實驗——定量研究安培力的大小

安培力的定量計算是高中物理教學的重點和難點,但教材上提供的實驗只能定性探究. 眾多教師在定量測量方面雖多有努力,但最多只能限于安培力與電流大小和導線長度的定量測量. 對于安培力與磁感應強度的定量關系,以及與電流和磁場間夾角的關系的定量研究始終無法較好攻克. 通過借鑒改進,筆者制作了安培力大小的定量研究裝置,同時實現了安培力4個參量的定量測量. 如圖5(a)所示,該研究裝置由磁鐵、磁鐵支架、導軌、電子秤、角度盤、3個150匝8×18cm線圈(每個線圈在磁場中有效長度為12m)、線圈支架、線圈電流控制電路構成. 其中線圈電流控制電路由電池、可變電阻、數顯電流表、開關、導線組成,放置于白色容器內. 其電路的內部構造和電路圖如圖5(b),(c)所示,通過開關1和開關2的閉合,可控制接入電路的線圈個數.

圖5 定量研究安培力大小實驗裝置及原理圖

將線圈電流控制電路與線圈整體固定并置于電子秤上,使線圈上邊框置于磁鐵兩磁極之間的勻強磁場區域. 打開電子秤,此時顯示屏會清晰顯示其上所放線圈的質量,將其歸零. 按下總開關,接通控制電路電源,由于通電線圈受到安培力作用,會使電子秤所受壓力發生變化,通過電子秤示數可以計算出安培力的大小.

應用1:實驗之前利用傳感器對不同距離下的磁感應強度進行標定. 實驗時只要改變兩磁極之間的距離,分別記錄不同距離下電子秤的示數,便可得到安培力大小與磁感應強度之間的關系.

應用2:轉動電子秤上的轉盤,改變線圈電流與磁場夾角,便可記錄不同夾角下電子秤的示數并計算安培力,如圖6(a),(b),(c),(d)所示. 對所得數據進行擬合處理,即可得到安培力大小與夾角的關系圖像(如圖7所示),可以看出圖線基本滿足正弦函數.

圖6

圖7 安培力大小與夾角的關系圖

物理學科的特色莫過于一個個匠心獨運的實驗. 微型電子秤給物理實驗創新提供了一種全新思路和獨特手段,教師要善于從日常生活中觸手可及的器具中開發實驗器材,用簡單樸實的方式展現復雜過程中真實的物理內涵,激發學生的求知與探索欲望,讓其成為撬動物理學科深度學習的有效“支點”,進而全面提高學生的科學探究及科學思維能力.