开发新颖器具 助力物理实验

杨奎三

(山东省滕州市第一中学,山东 滕州 277599)

物理实验讲究原汁原味,希望用最朴实的仪器来说明最本质的原理. 但科学技术日新月异,我们不能总是用老旧的研究方式来引领学生的探究活动,在条件允许的情况下,完全可以借助先进的仪器设备,开发新颖实验,让学生的探究更便捷,让获得的数据更准确. 微型电子秤就是其中很有代表性的一款产品,它的开发给物理实验创新提供了新思路和新手段,现将几个实验介绍如下,以期和各位物理同仁共同努力.

1 助力研究实验——“磁刹现象”

图1 “磁刹现象”示意图

如图1所示,一根长1m左右的金属管竖直放置,把一枚磁性很强的圆柱型小磁体从金属管上端放入管口. 与生活经验相悖,小磁体放入管中后,过了许久它才从下端“姗姗来迟”,这种现象我们形象地称之为“磁性刹车”或“磁力阻滞”. 它是楞次定律的最好例证,物理教师最喜欢拿此实验来示范说明,但往往“点到为止”——因为实际操作该实验之后,反而衍生出更多的问题:为何小磁体在非磁性的金属管中不会自由落体运动?小磁体在金属管中是匀加速运动吗?种种问题让我们迫不及待地动手试试,解开“磁力”神秘的面纱.

实验准备:微型电子秤,足够长的铝管,圆柱形强磁体.

取一块较厚的泡沫塑料,先将铝管竖直固定在它的上面(用以消除电子秤内部铁磁性材料与磁铁相互作用的影响),再将泡沫塑料固定在微型电子秤测量盘中,然后将磁体从上端放入,观察电子秤的示数变化.

如图2所示,磁体未放置前电子秤示数为7265g;磁体从上端放入后电子秤的示数先快速增大,后稳定于一固定数值8465g,约为管子与磁体的质量之和.

图2 研究“磁刹现象”实验装置图

力的作用是相互的,我们可以根据管子的受力,间接得出磁体的运动情况.设电子秤稳定示数为N,小磁体质量为m,铜管质量为M,则有N=Mg+mg. 设阻滞力为F,因为铜管静止,所以有N=Mg+F. 由以上两式得到F=mg,即小磁体受力平衡,故其做匀速直线运动. 至此我们确定了磁力阻滞现象中物体的相对运动稳定时的状态——匀速直线运动.

对于整个运动过程,由于电子秤的示数先快速增大,后稳定于一固定数值,根据N=Mg+F,可知从0开始阻滞力快速增大,后稳定于一固定数值,此时阻滞力等于小磁体的重力. 根据牛顿第二定律mg-F=ma,可知小磁体最开始的加速度等于重力加速度,开始加速后随着速度的增大,导致加速度减小. 当速度增大到一定大小的时候阻滞力等于重力,此后磁体便做匀速直线运动.

2 助力探究实验——探究影响电荷间相互作用力的因素

图3

两个带电小球间的作用力非常微小,用实验室中测力计难以测量.如果采用精度为0.001g的迷你电子秤,完全可以直接测量并清晰显示. 如图3所示是一个高度为50cm左右的木支架(不能用铁架台等金属支架,会被带电小球影响而产生静电感应现象),上面贴上一条软刻度尺,确保零刻度线和金属球B的球心等高. 金属球A可以通过一个滑动锁定装置上下移动,金属球B通过绝缘杆用万能胶固定在秤盘上,再将电子秤放在底座上. 两个金属球要完全相同并且质量较小,因为清零后电子秤的量程只有10g.

先让电子秤去皮清零,随后用范氏起电机使A、B小球带电,电子秤立即就显示读数. 由近及远移动小球A,将每次带电小球球心距和电子秤的示数(换算成单位牛顿)计入表1. 表1所列是在天气干燥的情况下实验获得的1组数据.

表1

利用Excel对实验数据进行分析,做出电荷间相互作用力与距离的关系图(如图4所示),通过乘幂拟合,发现F∝r-2.011,非常接近平方反比的关系.

图4 电荷间相互作用力与距离的关系图

保持带电小球A、B之间的球心距为2cm,小球的带电量虽不可测,但可利用电荷均分原理予以改变——将不带电的相同小球C接触带电小球A之后,小球A的电荷量减少为原来的一半. 以此类推,设小球A原来所带电量为Q,则每次均利用不带电的小球C接触A之后,小球A的电荷量分别为0.5Q、0.25Q、0.125Q,将每次的电子秤示数记入表格中.同样利用Excel作图并进行线性拟合,可以清晰看出电荷间相互作用力与电荷量成正比.

3 助力创新实验——定量研究安培力的大小

安培力的定量计算是高中物理教学的重点和难点,但教材上提供的实验只能定性探究. 众多教师在定量测量方面虽多有努力,但最多只能限于安培力与电流大小和导线长度的定量测量. 对于安培力与磁感应强度的定量关系,以及与电流和磁场间夹角的关系的定量研究始终无法较好攻克. 通过借鉴改进,笔者制作了安培力大小的定量研究装置,同时实现了安培力4个参量的定量测量. 如图5(a)所示,该研究装置由磁铁、磁铁支架、导轨、电子秤、角度盘、3个150匝8×18cm线圈(每个线圈在磁场中有效长度为12m)、线圈支架、线圈电流控制电路构成. 其中线圈电流控制电路由电池、可变电阻、数显电流表、开关、导线组成,放置于白色容器内. 其电路的内部构造和电路图如图5(b),(c)所示,通过开关1和开关2的闭合,可控制接入电路的线圈个数.

图5 定量研究安培力大小实验装置及原理图

将线圈电流控制电路与线圈整体固定并置于电子秤上,使线圈上边框置于磁铁两磁极之间的匀强磁场区域. 打开电子秤,此时显示屏会清晰显示其上所放线圈的质量,将其归零. 按下总开关,接通控制电路电源,由于通电线圈受到安培力作用,会使电子秤所受压力发生变化,通过电子秤示数可以计算出安培力的大小.

应用1:实验之前利用传感器对不同距离下的磁感应强度进行标定. 实验时只要改变两磁极之间的距离,分别记录不同距离下电子秤的示数,便可得到安培力大小与磁感应强度之间的关系.

应用2:转动电子秤上的转盘,改变线圈电流与磁场夹角,便可记录不同夹角下电子秤的示数并计算安培力,如图6(a),(b),(c),(d)所示. 对所得数据进行拟合处理,即可得到安培力大小与夹角的关系图像(如图7所示),可以看出图线基本满足正弦函数.

图6

图7 安培力大小与夹角的关系图

物理学科的特色莫过于一个个匠心独运的实验. 微型电子秤给物理实验创新提供了一种全新思路和独特手段,教师要善于从日常生活中触手可及的器具中开发实验器材,用简单朴实的方式展现复杂过程中真实的物理内涵,激发学生的求知与探索欲望,让其成为撬动物理学科深度学习的有效“支点”,进而全面提高学生的科学探究及科学思维能力.