初中物理小制作的探索與實踐①
——以“力與密度綜合測量儀”為例

紀甜甜 邵加民

(1.江蘇省南京市科利華中學,江蘇 南京 210037;2.南京師范大學,江蘇 南京 210023)

1 引言

物理小制作是指利用物理知識和手工技能制作出具有一定功能或展示某種物理現象的小型物理裝置。《義務教育物理課程標準(2022年版)》指出:提倡師生利用身邊的物品、器具、材料等自主開發物理實驗器材。[1]在初中物理教學中,引導學生開展小制作活動,能加深他們對物理知識的理解,強化物理學習的實踐性,有利于學生動手能力和創新意識的培養。[2]

2 自制“力與密度綜合測量儀”

在學生已經學會使用彈簧測力計測量力、使用密度計測量液體密度的基礎上,思考力與密度之間的聯系,在生產生活中能否利用綜合測量儀,既能測量力又能測量密度,使測量儀器更具有實用價值。

據此確定創新實驗主題,結合已經學習的物理知識,通過調查、咨詢,選擇身邊的器材,嘗試自制一個多功能測量儀,能同時測量力和密度。

2.1 器材選擇

實驗器材:鐵架臺、貼有白紙的木板、彈簧、鉤碼、刻度尺、小桶、量筒、水。

鐵架臺用于懸掛彈簧,貼有白紙的木板便于標注刻度,質量一定的鉤碼用于定標。

2.2 制作原理及操作要領

2.2.1 測力計部分

制作原理:在彈性限度內,彈簧受到的拉力跟彈簧的伸長量成正比。

(1) 測力計制作的難點在于標注刻度線。首先將貼有白紙的木板懸掛在鐵架臺上,在木板前方掛一個彈簧,讓彈簧自由伸長,選取彈簧上合適的一點作為參考點,在白紙左側記錄該點的位置,作為彈簧測力計的零刻度點O1。

(2) 在彈簧下端懸掛一個50 g鉤碼,通過計算得出該鉤碼所受重力為0.5 N,此時彈簧被拉伸,記下參考點的位置,即為0.5 N對應的刻度位置。

(3) 增加一個鉤碼,記錄參考點的位置,即為1 N對應的刻度位置,將0～1 N之間的刻度線等分10份可以得到0.1 N對應的刻度線位置,0.1 N即為自制彈簧測力計的分度值。

(4) 繼續增加鉤碼,觀察彈簧的形變程度,實驗所提供的彈簧所能承受的最大拉力略大于2 N,因此自制彈簧測力計的量程為0～2 N。

2.2.2 密度計部分

(1) 制作原理

利用小桶、水、量筒在白紙右側標注密度的刻度線。測量液體密度時,要求所測液體裝至小桶標記處,利用等體積關系將不同液體的密度大小通過刻度線進行標注。

(2) 制作步驟

① 在彈簧的下端掛一個空的小桶,彈簧在小桶的拉力下伸長,利用自制的彈簧測力計能讀出小桶所受的重力G0,依然選取彈簧上剛才的參考點,在白紙右側記錄該點的位置,作為密度計的零刻度O2。

② 在小桶做上標記,加水至標記處,掛在彈簧下端,讀出小桶加水所受的總重力G1,在白紙右側記錄該點的位置,此處密度值為1.0 g/cm3。

③ 將小桶中的水全部倒入量筒中,測出水的體積V。

④ 如果液體的密度值為2.0 g/cm3,能夠算出體積為V的此種液體所受的重力,從而在白紙右側標記密度值為2.0 g/cm3的刻度位置。通過將零刻度O2和密度值為1.0 g/cm3的刻度線擴大兩倍可以得到密度值為2.0 g/cm3的刻度位置。將零刻度O2和密度值為1.0 g/cm3的刻度線等分十份,則密度計的分度值為0.1 g/cm3(圖1)。

圖1

2.3 制作反思與改進

2.3.1 反思

根據學生匯報、呈現的結果,發現利用同一個彈簧在同一個木板上白紙左右兩側畫出的彈簧測力計刻度值和密度計刻度值的零點位置不一樣,密度計的零刻度線要低一些,這是因為提供給學生的小桶受重力作用,這也是本次實驗設計的一個重要評分點;同時有些同學的刻度線是不均勻的,需要對精度提出相應要求。

2.3.2 改進

可以給學生提供記錄更加方便的木板,增加實驗的可操作性,同時提供大一些的彈簧,提供體積、質量不同的多個小桶,以增加彈簧測力計和密度計的量程,使自制的實驗器材可用性更廣泛,為此測量模型在日常生活、工業和農業方面的應用提供可行性。

(1) 利用左側刻度測量力的大小

① 將被測物體掛在彈簧下端,待物體靜止后,讀出彈簧上的參考點在左側刻度線的位置,即為該物體所受重力大小;

② 對掛鉤施加一個力(小于2 N),從左側刻度可以讀出拉力大小;

③ 在水平面上拉著小物塊做勻速直線運動,利用二力平衡條件,可間接測得滑動摩擦力大小。

學生總結:通過更換彈簧,可以標注更多刻度,增大測量范圍,改進之后的自制測力計具有應用到生活生產中的實踐意義。

(2) 利用右側刻度測量液體密度

將待測液體裝入小桶中,直至標記處,將裝有液體的小桶掛在彈簧下端,靜止后讀出彈簧上的參考點在右側刻度線對應的示數,即為該液體的密度大小。

學生總結:通過更換彈簧、減小小桶體積和質量,可以標注更多刻度,增大密度測量范圍,改進后的密度計可應用到生產生活中。

3 拓展思考

進一步引導學生思考密度與體積、壓強等物理量的關系,運用特殊測量的方法,將液體密度計進行改進,制成刻度均勻的密度計。旨在通過具有綜合性、實踐性、參與性的實驗活動,引導學生從多視角探尋問題的解決方案,加深學生對物理知識的理解,調動學生學習的積極性,培養學生的核心素養。

一種方案是根據物質密度的概念,只要測量出物體的質量和體積,就能計算出該物質的密度。可以只用天平就能測出液體物質的密度,前提是待測液體的體積要保持一定。將砝碼的質量除以體積,重新定標,這樣就可以只用天平來測液體密度了,為了方便測量,可使待測液體的體積為定值,每次都裝滿某容器或將裝待測液體的容器做成溢水杯,制成“密度天平”(圖2)。制作方法如下:利用天平、燒杯和水(水的密度為ρ水),制作液體密度計,在燒杯外壁標記刻度線,對密度值進行標注。

圖2

另一種方案是應用阿基米德原理,物體漂浮時所受重力與浮力平衡,即物體所受重力等于排開液體所受的重力。若讓某物體漂浮在待測液體中,液體的密度越大,排開液體的體積就越小,這樣,我們就可以用漂浮物體排開液體的體積來標注液體密度的大小。把一定大小的物體放在裝有待測液體的量筒內,從量筒中液體液面高度的變化,測出物體排開液體的體積,在量筒上進行刻度標注,制成“量筒式液體密度計”(圖3)。制作方法如下:利用量筒、燒杯和水(水的密度為ρ水),在量筒外壁標記刻度和密度值。

圖3

4 結語

在初中物理小制作活動中,學生通過探索和制作,能直觀地感受到物理現象和規律的美妙,激發了學生對物理學習的興趣和熱情,提高了學生的物理學科核心素養。