冉 英

(北京市順義區(qū)楊鎮(zhèn)第一中學　北京　101309)

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利用廢舊材料制作卡文迪什扭秤模型*

冉 英

(北京市順義區(qū)楊鎮(zhèn)第一中學北京101309)

本裝置利用身邊廢舊的材料還原了卡文迪什扭秤制作過程中的原型，利用的是英國皇家學會的米歇爾神父制作的扭秤原理——即利用作用力比較大的磁相互作用代替弱小的萬有引力作用．雖然磁相互作用與萬有引力規(guī)律并不相同，但都滿足平方反比規(guī)律，故用來給學生形象地展示扭秤巧妙利用兩次放大思想的應用，體會物理學的方法，激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生理解都非常有用．

廢舊材料卡文迪什扭秤制作

1　創(chuàng)作原因

實驗物理開創(chuàng)了近代物理學發(fā)展的新局面，在實驗物理學300多年的發(fā)展進程中，涌現(xiàn)了眾多具有里程碑意義的物理實驗．他們以其巧妙的構思、精心設計的儀器、高超的測量技術、獨到的處理方法和分析判斷等，為我們展示了極其豐富和精彩的物理思想，開創(chuàng)出解決問題的途徑和方法．卡文迪什扭秤的設計和應用即是一個典型的案例，它“開創(chuàng)了弱力測量的新時代”．

但在筆者的教學中發(fā)現(xiàn)，不同版本的高中物理教材在對“萬有引力定律”一節(jié)的內(nèi)容呈現(xiàn)時，雖會涉及卡文迪什扭秤的內(nèi)容，但課文多數(shù)僅對扭秤的結構進行說明，一般并不配備教學模型，教學中只能利用課件進行講解．人教版2004年版物理教材模塊3-1中更是刪去了卡文迪什扭秤構造圖，僅有卡文迪什實驗室的外景圖片介紹．

筆者通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，其實學生對扭秤的設計發(fā)展史以及不同科學家對扭秤的改進很感興趣，尤其想知道它實際的構造以及測量原理，于是產(chǎn)生利用身邊的廢舊材料自制卡文迪什扭秤模型的想法，以滿足學生的求知欲，使他們更好地了解扭秤巧妙利用兩次放大的思想．

2　制作材料

廢舊的油筆芯3根(帶筆頭)、廢舊中藥丸的球型盒兩個，兩個小強磁體、銅絲、廢舊的筆桿、小鏡子、塑料桿(80 cm左右)、泡沫塊、熱膠棒、兩個球形導體、激光筆．

3　制作過程

3.1大支架的制作

將塑料桿和廢舊筆桿固定于大泡沫塊上，做成大支架，如圖1所示．

圖1　大支架

3.2T型支架的制作

將3根舊筆芯用筆頭連接作為T型支架的橫梁，如圖2所示．

圖2　T型支架橫梁

3.3T型支架兩端固定的“小鉛球”的制作

(1)如圖3將半個藥丸盒分別通過熱膠固定在T型支架的橫梁的兩端．

圖3　“小鉛球”

(2)在T型支架橫梁的兩端藥丸盒內(nèi)部用熱膠分別固定小強磁體．

(3)將藥丸盒的另一半分別扣合成完整的藥盒．

3.4安裝小鏡子

圖4是在T型支架的橫梁中點處連接上銅絲.

圖4

用熱膠在銅絲的中部固定小鏡子，銅絲一端與T型支架連接，另一端固定于大支架上的廢筆桿上，如圖5所示．

圖5

3.5組裝各部件

圖6(a)將裝有小鏡子的橫梁上的銅絲懸接在大支架上；圖6(b)是在T型支架的橫梁兩端點“小鉛球”附近，各放置1個絕緣金屬球.

圖6

4　實驗過程

第一步：將T型支架通過銅絲懸掛在大支架的筆桿上．

第二步：調節(jié) T型支架平衡，待其穩(wěn)定后讓學生用激光筆對著T型支架上的小鏡子發(fā)射激光，并將激光筆固定于此位置，記錄激光被反射后在墻上的光點位置．

第三步：將兩個球形導體放置于離“小鉛球”基本等距的地方，觀察光點的移動情況．

5　應用的科學方法原理

力矩平衡；機械放大思想；平方反比規(guī)律．

6　創(chuàng)新點

(1)所需材料均來自身邊隨手可得的廢舊材料．

(2)本裝置還原了卡文迪什扭秤制作過程中的原型，利用的是英國皇家學會的米歇爾神父制作的扭秤原理——即利用作用力比較大的磁相互作用代替弱小的萬有引力作用．

雖然磁相互作用與萬有引力規(guī)律并不相同，但都滿足平方反比規(guī)律，故用來給學生形象地展示其對放大思想的應用，體會物理學的方法，激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生理解都非常有用．

7　使用情況和進一步完善的設想

使用中扭秤不能盡快穩(wěn)定下來是個急需改進的問題，可以借鑒庫侖扭秤的思想，在T支架下加類似制動盤的裝置．

1人教版2004年版物理教材3-1模塊.

2郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社.

2016-02-18)

*北京市“十二五” 教育科學規(guī)劃課題基礎教育研究“高中物理低成本實驗教具輔助教學的研究”的研究成果,課題批準號：DBB11064