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第3章 实验手段的改进及技巧(3)

操作:连接好电路,闭合开关,通过小灯泡发光情况可显示出变阻器的工作部分及电流的路径。移动滑片,使发光灯泡的数量增加或减少,可看到灯泡亮度逐渐变暗或变亮。说明连入电路的电阻线变长或变短,使导体的电阻变大或变小。

利用人体演示的物理现象

利用人体发生的物理现象可演示的物理实验涉及力学、热学、光学、电学等,教学时随时即可演示,即方便省时,又能激起同学们的兴趣,启发他们观察自己身边的物理现象。下面湖南邵东十中曹胜荣老师举了数例:

可演示的力学实验

(1)讲解超重和失重时,可让同学们由下蹲突然起立或由起立突然下蹲,分别去感觉地板对脚的支持力大小。

(2)讲解动量定理时可启发同学们体会上体育课时从高处跳下的感受:触地时脚尖先着地感觉轻松;若脚板齐触地,且无微屈姿势,感觉振动力大,甚至扭伤脚。

(3)讲解力的分解时演示抓吊梯的情况。两臂张开的角度越大越感吃力,说明当合力一定时,两分力随夹角的增大而增大。

(4)学习向心力时,可启发回忆赛跑拐弯时,运动员身体向内弧倾斜,由重力和支持力提供向心力。

(5)学习机械振动的“同相”和“反相”时,可演示步行时摆动的双臂,同一手臂上各质点的振动同相,左手上各质点与右手上各质点的振动反相。

(6)学习“振动物体发声”时,用手指背触摸自己的喉部,人在发声时感觉声带在振动。

可演示的热学实验

用手指肚在桌面上迅速滑动便感到发热,这是摩擦生热,也是机械能转化为热能的实例。

可演示的静电实验

(1)睡觉前脱尼龙类内衣时,在暗处发现衣服上火花四溅,这是摩擦起电后的放电现象。

(2)洗净的头发晾干,梳发时可听到“嚓嚓”声,在暗处亦可见蓝色电弧,这也是摩擦起电后的放电现象。

光学实验

学习光的衍射时,可将自己的眼睛眯成一条缝去观察较远处白炽灯发光的灯丝,会看到衍射图样。

测定气体恒量、基本电荷

普适气体恒量的测定

我们学习了理想气体的状态方程:

pV=nRT(1)现在湖南省吉首一中吕声宏老师介绍了利用这个方程来测普适气体恒量R的方法:

从(1)式知道:要测R,必须测得一定质量的理想气体的压强p、体积V、温度T和摩匀数n。我们利用图1所示仪器来测量一定质量的气体的体积和压强,在仪器的刻度尺上固定着一封封闭的U形管,管的封闭端有段空气柱被水银封在里面,我们的实验,就是以这段空气柱为研究对象的,并把空气视为理想气体。

实验前先测出U形管的内径。方法是把一端磨尖的金属丝处密接为止,用钢笔在金属丝上记下管口处的位置,再用螺旋测微器测量记号处金属丝的直径,也就是U形玻璃管的内径。

然后把仪器竖直插入装有冷水的烧杯中,使冷水淹没U形管的封闭端,从刻度尺上读出空气柱的长度,这样就可计算管内空气柱的体积V(注意,要以m3为单位),再从刻度尺上读出U形管两臂中水银面的高度差h,从气压计(全班共用一个)上读出大气压强,若用毫米高水银柱作为压强单位,管内空气的压强p=H+h(想想看,什么情况下取“+”号,什么情况下取“-”号?)在国际单位制中,压强p的单位是帕斯卡,(应如何换算?)用温度计测出烧杯中冷水的温度t,这也就是管内空气柱的温度,计算中要把它换成热力学温度T。这样,一定质量的理想气体的三个状态参量p、V、T都测到了。

那么,如何测管内空气柱的摩尔数n呢?根据理想气体状态方程的另一种形式:

p1V1T1=p0v0T0(2)可以算出管内空气柱的标准状态下的体积V0,由于1mol理想气体在标准状态下体积为224L,则管内空气柱的摩尔数n可求(想想看,如何求?)把烧杯中的冷水,换成不同温度的热水,重复上述步骤,再做三次实验,测量每个状态下的三个参量。把所得数据填到自己设计的表格里,并标出每次实验得到的R值,取三次的平均值,跟普适气体恒量的公认值R=831J/mol·K比较,算出自己测量的绝对误差和相对误差,简单分析产生误差的原因。

用电解法测基本电荷

我们知道,迄今为止我们所能观测到的最小电量是160×10-19库仑。其它任何带电粒子所带电量的绝对值,或者跟它相等,或者是它的整数倍。因此,我们把1.60×10-19库仑叫做基本电荷,现在,我们用电解法来测定基本电荷。

在初中物理和高中化学中,同学们都学过电解。大家还记得电流通过电解质溶液(或熔化的电解质)的时候,同时发生化学变化,在电极上析出物质,电极上为什么会析出物质呢?原来电解质溶液靠离子导电。离子就是带电的原子或原子团。当离子在电场力作用下发生定向移动而形成电流时,离子不断到达电极,跟电极上的电荷中和而成为中性原子或分子,所以在电极上便不断析出物质。由于每个离子都带有一定的电量(等于基本电荷的整数倍),都具有一定的质量,因此,电极上析出的物质的质量,便跟迁移到电极上的而为电极上的电荷所中和的电量成正比:

m=KQ(1)设每个离子的电量为q,离子的化合价为n,在电解过程中电极上析出的离子的个数为N,则:

Q=Nq=Nne(2)而N=mμN0,Q=It所以It=mμN0ne于是:e=μItnmN0(3)对于给定的电解液,μ、n均为已知,N0为阿佛加德罗常数,所以,只要测出电解时的电流强度和通电时间以及电极上析出的质量,便可根据(3)式算出基本电荷的数值了。

我们利用图2所示的装置来做这个实验。其中电解液为硫酸铜溶液,两个电极均为铜片。

要做好这个实验,首先必须做好准备工作。

第一,要确定电解过程中你准备通入的电流强度I,因为要保证阴极上析出的铜原子能与阴极铜片结合良好,必须通入适量的电流强度。根据实验经验,以002A/cm2为宜。

为此,首先要测量你准备浸在电解液中的那部分阴极的面积S。由于阴极两面都会接受铜离子,所以要把S0加大一倍。电解时通入的电流为I=002×2S0(4)第二,要把两个电极擦干净。办法是先用细砂布把电极表面打净光洁,直到露出光泽的金属面为止。再用自来水冲洗干净,并把阴极做上记号,然后把两个电极插到电解液中,按上图接好线路(注意,不要把做有记号的阴极接错了,同时要注意两极板间的距离d)。

第三,在电解槽中倒入预先准备好的硫酸铜电解液,直到把S0浸没为止。合上开关K,调节滑线变阻器R,使安培计的读数恰好等于预先根据第一步确定好的电流强度I,随即拉开K。

第四,取出两个电极,把它们浸入盛自来水的杯中清洗,再把它们浸入盛酒精的烧杯中清洗(全班共用一杯酒精),然后取出凉干,用天平称出每个电极的质量m+和m-。

做好上述准备工作后,再把电极插入电解槽中(保持两极间原来的距离d),接好线路,检查无误后,就可正式实验了。

正式实验时,要注意以下几点:

(1)在整个通电过程中,要保持两极板间的距离d恒定不变,要保持电流强度始终等于预先确定的值。(为什么,如何保持?)(2)要细心记下通电的时间。通电时间以30分钟为宜。

(3)停止通电后,要小心取出电极,轻轻地放入清水中清洗,然后放入酒精中清洗,再小心取出来,放在空中凉干。(为什么要轻取轻洗轻放?)(4)电极凉干后,分别测出两个电极的质量m+和m′-,从测量的结果中,你将发现,阳极片的质量减少了,阴极片的质量增加了(为什么?)算出它们质量的变化量,想想看,它们的变化量有什么关系?

最后,请你设计一个表格,把你所测到的必要的数据记录列到表格上去,并算出基本电荷的数值,求出它和公认值的百分误差。

以“静”代“动”改进实验

在中学物理中,有些学生实验和演示实验常需几人合作才能完成,并且由于人为原因使记录数据不准,造成较大的误差。江苏武进高级中学施玉平老师在实践中稍加改进,实验便可改由一人操作,误差也相应减少,收到良好的效果。

对“互成角度的两个共点力的合成”实验的改进在原实验用的方木板下方固定一“凹”形槽板,槽中镶嵌两带杆的滑块(也可用木块,再在木块上钉一个钉子),弹簧秤的一端用线与滑块上的杆相系(如图1),改变两滑块的位置,即可连续改变力的方向,再改变线的长短即可改变力的大小,再适当考虑滑块上杆的长短(不短于2cm),就能使线与弹簧秤处于同一平面。这样,既可防止操作时的不稳定性,又可使力的大小和方向连续可变。

对验证“机械能守恒定律”实验的改进在铁架台上方再加一横杆(可用竹筷或6mm铁杆),把弹性强的铁夹用线系在横杆上,处于纸带正上方,用铁夹把纸带夹住,吊起重锤(如图2)。实验时先接电源,而后果断地松开铁夹,使重锤竖直下落,从而得到理想的纸带。此改进可克服手拎纸带,由于手的左右上下移动而难以做到静止释放的缺点。

对“验证玻意耳定律”实验的改进

在固定注射器的铁架台上方加一横杆(用竹筷或6mm铁杆),弹簧秤的拎圈套在横杆上,并处于注射器的正上方(如图3),移动横杆的位置,可改变弹簧秤拉力的大小,固定好横杆,便能记录同一状态下的“F”与“V”,这样既使实验操作方便,又使实验误差减小。

上述三个实验的改进措施,均采用了以静止的物体来替代原实验中会动的手。不但操作方便,而且能就地取材,并使实验误差明显减小。

用一个装置做一串实验连一片知识在复习课中,安徽省太湖中学殷少来老师尝试用单摆装置做一串实验,连一片知识的方法组织教学,取得了较好的效果。现实录出来,用于抛砖引玉。

装置如图1所示,摆长l=60cm,悬于O点,在O′处有一光滑钉子,O′A=14cm。

验证机械能守恒定律

学生思考预测:让人的鼻尖位于图中右侧某一点不动,小球从鼻尖处释放,球摆回来是否碰到鼻子?

实验检验:球摆回鼻尖附近,但没有碰鼻。

理论证明:球运动过程,只有重力做功,机械能守恒。小球在原来释放时速度为零,动能为零,只有重力势能,当再摆原处时,动能必然为零,所以它不会碰鼻。

讨论竖直面的曲线运动

学生思考预测:在绳伸直情况下,小球从不同高度释放后,它可能做哪些运动?

实验检验:

①反复实验能找到一点D,球在D或D以上释放后,小球能以O′为圆心,做完整的圆周运动,测得临界高度h1=35cm;②在另一临界点C以上,D点以下释放小球,它先沿DA、AE做圆周运动,后在E、F两点间离开圆轨道做抛体运动,测得临界高度h2=14cm;③球在C、A两点间释放后,沿圆弧来回振动。

理论证明:在F点,球恰能作圆周运动时,是重力提供向心力,有mg=mv02/r,D→F机械能守恒,有mv2/2+mg·2r=mgh1。解两式得:h1=25r,r=14cm,代入得h1=35cm。当h≥35cm时,球在F处速度v≥v0=rg,所以,它做完整的圆周运动。h2=14cm,C点与O′点等高。当h2<h<h1时,由机械能守恒知,球能越过E点,但不能到达F点,球在EF间离开圆轨道做抛体运动。当0<h≤h2时,同理,球不能越点E点,所以来回摆动。

研究绳与球“碰撞”中的机械能损失

学生思考预测:当球分别从高度大于h1且有相同高度的G、I处(绳是弯的)释放时,它是否做完整的圆周运动?其中G较I离O点近,如图1所示。

实验检验:将小球自G释放,绳伸直后,球不能绕O做完整的圆周运动,自I释放,球能绕O′做完整的圆周运动。

理论证明:如图2所示,设球自α释放,它先作自由落体运动,在b处绳由松到绷紧有一个“碰撞”过程,绳绷紧前,球的速度v可分解为图示的v∥和v⊥,其中v∥=vsin,v⊥=vcos,sin=x/l,cosk=1-x2/l2。由于沿Ob方向绳不能伸长,在绳子拉力F的冲量作用下,v⊥减为零,损失的机械能E损=mv⊥2/2=mv2cos2/2=mv2(1-x2/l2)/2剩下的机械能E机=mv∥2/2=mv2x2/2l2。如图1所示,G处x小,E损大,E机小,小于临界值mgh1,故球不能做完整的圆周运动。相反,I处x大,E损小,E机大,若E机≥mgh1,便可以做完整的圆周运动。

研究组合摆的振动周期

学生思考预测:小球从较低处释放,它振动周期是否符合周期公式T=2πl/g。

实验测量:让小球从离OA线12cm的B处释放,如图1所示,用秒表测得10次全振动的时间为t测=113秒。

理论证明:球参与摆长分别为l=60cm,r=14cm的组合摆的振动,周期T=(T1+T2)/2=(2πr/g+2πl/g/2≈14×10-2+60×10-2=114秒。10个周期的时间为t=10T=114秒=t测。且偏角=x/l=012/14=0086,=5°。

还可据T=2πl/g,通过测T、l测出当地的重力加速度利用一些简单的设备。如用电流计、电阻箱、滑动变阻器、电源、永磁体、螺丝管、电键和导线可以做中学范围内几乎所有的电学实验。所以,新课教学时我们要让学生学会基本仪器的使用,掌握基本的实验技能,在复习中用最简单的设备,做一串实验,连一片知识。这种做法,既可提高学生技能,又能激发学习兴趣,巩固所学知识,取得最佳的教学效果,同仁们不防一试。

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