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完全失重与向心力综合演示仪

2016-11-19孙建清

中学教学参考·理科版 2016年4期
关键词:铁盒最高点铁钉

孙建清

[摘 要] 用自由落体的矿泉水瓶演示完全失重,用“水流星”演示向心力,都存在一些不足。文章介绍的创新装置能同时演示上述两种现象,并且操作方便、效果明显、说服力强。

[关键词] 完全失重 向心力

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674 6058(2016)11 0078

演示“完全失重”实验,大部分教师采用这样的装置:矿泉水瓶下端开个小孔,灌满水,水流从小孔喷出;让瓶子自由下落,水流消失。说明自由下落时,水对瓶壁无压力,水处于完全失重状态。本实验存在以下几个问题:(1)现象不明显。水流细小且无色,学生(特别是后排的学生)看不清;(2)操作不方便,实验时瓶口必须开着,接瓶时从小孔和瓶口洒出的水易弄湿地面和实验者;(3)学生有质疑,有的学生认为,下落时水仍会从小孔流出,只不过流速(相对于瓶子)变小,才看不到水流“喷出”,故这个现象不能说明水对瓶壁无压力。另外,在向心力教学中,看了“水流星”演示实验之后,学生仍然存有疑问。他们用惯性来解释最高点时碗里的水没流下来的原因是:水和盆子一起通过最高点的时间很短,由于惯性,水来不及流下来就“荡”过去了,因此,该实验不能说明最高点时水对盆子有压力。为了解决上述问题,笔者精心设计制作了一个装置,既能演示完全失重,也能进行向心力的定性演示,操作方便,效果明显,说服力强。现介绍如下。

一、实验原理

如图1所示:将装满沙子的铁盒放在钉有两枚铁钉的木块上,静止时铁盒对木块有压力,铁盒与两铁钉的钉帽接触良好,电路导通,小电珠发光;自由下落时,整个装置完全失重,铁盒与木块间无压力,电路不导通,小电珠熄灭。因此,小电珠的发光与否间接地反映了铁盒与木块间有没有压力,进而判断铁盒是否处于完全失重状态。

二、仪器制作

1.材料准备

直径7cm铁盒一个(可用“喉爽”盒子,用砂纸磨去下表面油漆,盒子内装细沙),直径8.5cm、高3cm的圆柱形木块一个,长4cm的铁钉两枚,5号电池两只,电池盒一只,小电珠一只,细导线若干,螺丝三只,直径9cm的透明塑料瓶一个(可用大可乐瓶,去掉瓶子上半部非圆柱形部分),细线若干。

2.制作过程

(1)在木块中点两侧,距中点约2cm处,对称地钉两枚4cm长铁钉,要求钉穿木块,钉帽略高于木块上表面;

(2)铁钉下端焊接两根细导线,按图1连接好电路,电池固定在该木块下表面,小电珠悬在空中;

(3)将此木块放进瓶子下半部,从侧面等间距地给木块拧上三个螺丝,把木块和瓶子紧固在一起;

(4)用加热的细铁丝在可乐瓶上端等间距地穿三个小孔,小孔边缘要光滑;

(5)用三根等长的细绳(约30cm)分别穿过三个小孔并打结,再把三根绳的上端结在一起,结点上再连一根长约1m的细绳;

(6)将铁盒放入瓶子即可开始演示,实物装置如图2所示。

三、仪器使用

1.演示完全失重:把铁盒放入瓶内,静止时,小电珠亮,说明铁盒对木块有压力;一手抓住绳子,另一手将瓶子举高再释放,可以看到,自由下落过程中,小电珠不发光;一手抓住绳子,另一手将瓶子分别上抛、下抛、斜抛,可以看到,瓶子抛出后到绳子绷紧前这段时间内,小电珠均不发光。

2.演示竖直面内做圆周运动的向心力:抓住绳子上端,让瓶子以较快的速度在竖直面内做圆周运动,可以看到,整个过程中,小电珠始终发光。这说明铁盒对木块始终有压力,最高点也不例外。在最高点,铁盒有向外飞的趋势,紧紧地挤压木块,所以电路仍然导通!

本装置中,若给小电珠再并联一个小喇叭(贺卡上的音乐片),则电路导通时,既可看到灯光,又可听到声音,效果更加明显。该仪器取材方便,制作简单,效果明显,说服力强,实验过程干净卫生!实验完毕,取出铁盒即可。

[ 参 考 文 献 ]

郭卫东.低成本物理实验的巧妙设计与应用[J].物理教学探讨,2012(7):1.

(责任编辑 易志毅)

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