自制表面张力演示仪和稳定度判定仪

刘翠青，李敏儿，陈堉驰

（韩山师范学院 物理与电子工程系，广东 潮州521041）

1 引 言

2011年8月2 —4日，由中国教育学会主办、西华师范大学承办的全国第3届大学生物理教学技能大赛在四川南充举行．本次大赛共有来自北京师范大学、首都师范大学、东北师范大学、华东师范大学、华南师范大学、南京师范大学等全国91所高校的661名学子（含36名研究生）参加．大赛共分27组，每组25名选手，从25名选手中胜出者为特等奖．我院派出物理与电子工程系的6名选手参赛，选手李敏儿、黄冬妮、陈阳阳获特等奖，陈堉驰、刘淑孝获一等奖，杨少彬获二等奖．下面介绍其中2个课题中的精彩的实验教具的设计与制作过程，旨在激发对自制教具的兴趣和重视，希望有更多、更有创意的低成本实验教具的出现，丰富和充实中学物理课堂教学资源，满足和实现新课程标准对中学物理教学的要求．

2 表面张力演示仪

在创设情景、导入课题中演示开口瓶倒立水不流的趣味实验（图1）：首先握住瓶子，向瓶内加满水后，盖上塑料板（纸板也可以，但塑料板和纸板都需贴上表面光滑的广告纸，起防水作用），然后将瓶倒转，这时塑料板不会掉下来，水也不会流出来；接着轻轻地吹掉塑料板，会发现水依旧没有流出来；若倾斜瓶子，水却流出来；最后再次倒立时，水反而不会流出来，这时再晃动瓶子，水流出来，停止晃动，水又不会流出来．利用时而水流时而水不流的现象，制造了层层悬念，为学生学习创设了问题情境，激发了学生的学习兴趣，为导入课题做了良好的铺垫．

图1 表面张力实验演示图

2．1 实验装置的取材与制作过程

瓶口粘有细网的塑料瓶如图2所示．

图2 瓶口粘有细网的塑料瓶

为了使实验演示效果明显、便于制作和携带，实验采用了生活中常见的饮料瓶，瓶高约18 cm，瓶口直径约4 cm．

网状物的网孔大小在这个实验中起着决定性的因素，因此网孔大小的选择就成了制作的关键．若网孔直径大于2 mm的钢丝网，水很快就会流出来，而密集的网孔在装水时水无法顺利地倒入杯子．通过不断的试验，最终选用了直径约为1 mm的网孔．而本实验采用的材料来自废弃保温杯中的过滤网，后来还尝试家庭中窗户纱窗的制作废料，效果一样明显．

制作过程只需将网状物裁剪成瓶口大小，然后用硅胶将网状物粘合在瓶口处．该过程需要反复进行，同时用剪刀剪除多余的胶，使粘合处平整，防止在瓶子侧面看出粘合的痕迹，使整个教具美观大方．在粘合过程或实验后网状物可能会出现凹陷下去的现象，此时可用针或其他工具将网挑平．

2．2 实验的功能与作用

这个实验常常会使人想起大气压强的覆杯实验，误认为是大气压强的原因．其实水不流出来是因为表面张力的作用使细钢丝编成的网孔形成了水膜，从而水不会流出．而倾斜或晃动瓶子，就无法形成完整的水膜，因而水流了出来．

该实验充满趣味性，一开始学生会以为是覆杯实验而忽视，但是当学生看到塑料板掉下后水依旧不会流出来时就会产生疑问和兴趣，同时当他们看到水在倾斜时流出而再次倒立时却流不出来，则会更加惊讶，每一步操作都可以引起学生的注意，为此，该实验作为导入实验的效果比较好．

3 稳定度判定仪

在探究物体维持稳定的条件时，通过稳度判定仪的直观演示，不断地改变支撑面积的大小和重心位置的高低，得出结论：物体稳定的条件是重力作用线（重心在底面上的投影）必须落在物体支撑面积以内．当重心投影超出支撑面积范围时，则无法保持稳定．

3．1 实验装置

稳定度判定仪如图3所示，由1根螺纹铁棒连结在一起的2个方形木框，用1根绳子交叉连结2个木框的中点，交点就是仪器的重心位置，用1盏小灯（挤压灯口可打开红灯）标示重心位置在底面上的投影．

图3 稳定度判定仪

3．2 实验教具的取材与制作过程

稳定度判定仪的原型是折叠式木框布书架，撤去外围的布料之后就得到2个分散的方形木框，1个大（外）框，1个小（内）框．在内外木框的木条中间分别钻孔，然后用1根长度、半径、粗糙程度都合适的螺纹铁棒穿过两木框的中心孔．使用时发现，角度变化单一，而且很难稳当地摆放在桌面上．为此作了改进：在外框的3／4处钻孔，螺纹铁棒穿过外框的3／4孔和内框的中心孔相连结．这样，可随意地变换角度和改变支撑面积的大小，并且较稳当地摆放．在制作中，还要注意连结2个木框的铁棒相当重要，孔的大小和孔纹最好和铁棒的螺纹相匹配．随后，注意在穿螺纹铁棒时要先套上内框里面的固定螺母，连接完毕后在外框上套上弹簧戒指和螺母，起到固定与调节的作用（注：2个木框连接处的松紧会影响演示仪摆放稳定性，可微调两边螺母控制松紧程度）．这样，既保证木框连接后可以转动，又使木框之间的松紧可调，而且保证使木框能够准确无误地以任何角度摆放在桌面上．为了增加教具与桌面的粗糙程度，在框的支点适当涂上硅胶．

最后考虑如何标示稳定度判定仪的重心的位置．教具是由2个规则的方形木框构成，每个木框的重心都在2个方形木框的几何中心，将2个木框连接之后，教具的重心就位于2个木框几何中心的连线的中点（这里忽略了螺纹铁棒对重心位置的影响．若要讲究严格的规则对称，则可在外框的1／4处再穿1根相同的螺纹铁棒）．用1根绳子采用交叉的方式，连结内外框的中心孔，成X字，交点就是教具的重心位置 注意绳子的材料要坚固，能够绑得结实，挂得起重物，还要够细，可以穿绑于铁棒螺母之间和中心钻孔之间，另外颜色要鲜艳醒目．

稳定度判定仪主要是直观地显示重心投影位置和支撑面积的关系对稳度的影响，因此，在重心位置安装1盏小灯来标示重心位置在底面上的投影．本教具使用的小灯来源于红色光的单车装饰尾灯．为了使光路集中，避免光线发散，灯外围贴上1圈黑胶布和1层美观的硬纸板来遮挡光线，纸板剪成扇形包住，中间剪一小孔，光线沿孔射出，在支撑面上出现1个红点，以此标示教具重心位置在支撑面上的投影．

3．3 实验的功能与作用

稳定度判定仪可用于多角度观察和验证物体稳定的条件：重力作用线（重心在底面上的投影）必须落在物体支撑面积以内．改变重心位置高低，支撑面积大小，当重心投影落在支撑面积以内时，物体始终保持稳定；当重心投影超出支撑面积范围时，无法保持稳定（图4）．物体支撑面积越大，重心位置越低，则重力作用线越不容易超出支撑面，物体越稳定．还有可用来区分支撑面积和接触面积的不同．通过稳度判定仪生动、直观、形象的演示，使学生易于理解和掌握稳度的有关知识和规律．

图4 稳定条件的演示

4 结束语

一件成功的自制教具，不仅蕴含丰富的物理知识，还包含着制作者的智慧．实验教具的制作过程，是指导教师与学生不断交流，思想撞击火花激发灵感，不断地尝试、修改、完善的过程，也是不断地发现问题、分析和解决问题的探究过程．