管 余 黃 杰

(1. 河北興隆縣三道河鄉(xiāng)中學(xué),河北 興隆 067301; 2. 南京中華中學(xué),江蘇 南京 210000)

用陶瓷片改進(jìn)分子引力實(shí)驗(yàn)

管 余1黃 杰2

(1. 河北興隆縣三道河鄉(xiāng)中學(xué),河北 興隆 067301; 2. 南京中華中學(xué),江蘇 南京 210000)

利用陶瓷片代替鉛柱進(jìn)行分子引力的實(shí)驗(yàn),借助DIS系統(tǒng)中的力學(xué)傳感器,檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的效果,發(fā)現(xiàn)操作簡單,實(shí)驗(yàn)效果顯著,教學(xué)效度高．

分子引力;陶瓷片;力學(xué)傳感器

1 問題的提出

分子引力實(shí)驗(yàn)是初高中物理教學(xué)的重點(diǎn),利用實(shí)驗(yàn)說明分子力的存在．在現(xiàn)行的主流教材中,都是采用鉛柱來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中要求將兩塊鉛柱端面削平,用力壓緊,下方吊起重物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．但是在實(shí)際操作中,鉛柱的端面難以削得很平整、光滑,兩個鉛柱難以緊密接觸,很容易造成實(shí)驗(yàn)失敗．并且每次實(shí)驗(yàn)之后,鉛柱截面又出現(xiàn)凹凸不平的擠壓痕跡,教師需要再次刮削鉛柱,較為麻煩．除此之外,部分學(xué)生會認(rèn)為鉛柱發(fā)生了一定的形變,由此聯(lián)想到粘土、橡皮泥等物質(zhì),造成概念不清,思維混亂,教師對此也難以解釋．除了利用鉛柱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以外,在教科版九年級(上)物理教材中用粗熔絲(保險(xiǎn)絲)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將粗熔絲斜切成兩段,再將兩段平滑表面接觸起來,再吊起重物．實(shí)際操作中由于熔絲直徑較細(xì),擠壓時(shí)為了產(chǎn)生較大的分子引力,要注意巧勁,且每次實(shí)驗(yàn)都要消耗一些熔絲,不能再次回收,造成了很多的浪費(fèi)．

本文中的器材源自生活,利用水龍頭閥芯(圖1)

圖1

中的白色陶瓷片進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這種陶瓷片一般采用干壓工藝生產(chǎn),強(qiáng)度高,表面平滑,壓緊之后,能夠輕松的掛起重物,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,學(xué)生也能簡單操作,教學(xué)的效度非常高．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

2.1 陶瓷片的選擇和加工

水龍頭閥芯中的兩個陶瓷片分為靜片和動片,其中靜片整體是圓形,接觸面相對較大(直徑約14mm),本文中將其作為實(shí)驗(yàn)對象,研究兩個陶瓷靜片之間的分子引力,用膠水將繩子粘牢在靜片背部(圖2),方便鉤拉物體．

圖2

2.2 實(shí)驗(yàn)效果的驗(yàn)證

考慮到利用鉤碼或彈簧測力計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),干擾因素多,數(shù)據(jù)處理困難,這里利用DIS系統(tǒng)中的力學(xué)傳感器來研究陶瓷片間引力的變化,通過數(shù)據(jù)采集和過程記錄,提高了實(shí)驗(yàn)精度和效度．

將兩個陶瓷靜片光滑部分壓緊后,掛在鐵架臺上(圖3),在其下方掛上力學(xué)傳感器,調(diào)整初始數(shù)據(jù)后,用手豎直向下拉動傳感器,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(圖4)．

圖3

圖4

通過DIS軟件數(shù)據(jù)處理,得到拉力和時(shí)間的圖形(圖5)．剛開始沒有施加拉力時(shí),傳感器自重約為2N,隨著拉力的增大,兩個陶瓷靜片并不分開,說明陶瓷片分子間存在拉力;繼續(xù)增大拉力,當(dāng)拉力達(dá)到約10.5N時(shí),兩個陶瓷片才分開,說明兩個陶瓷片雖然面積很小,但產(chǎn)生的分子引力較大,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯．

圖5

將兩個陶瓷片再次壓緊后,重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到新的圖形(圖6),此次實(shí)驗(yàn)中最大拉力約為12.5N．

圖6

分析以上數(shù)據(jù)之后,發(fā)現(xiàn)利用陶瓷片進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)主要有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 效果穩(wěn)定,效度很高.

多次實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)該組陶瓷片能承受的最大拉力在10～15N之間．最大拉力的不同說明每次實(shí)驗(yàn)中最大分子力不同,主要是由于壓緊陶瓷片的程度和兩個陶瓷片重合程度影響的．

(2) 操作簡單,可以分組實(shí)驗(yàn).

相對于鉛柱和粗熔絲,利用陶瓷片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),操作很簡單,只要將陶瓷片壓緊,就能產(chǎn)生較強(qiáng)的分子作用力,在實(shí)際教學(xué)中,可以進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生動手體驗(yàn)的樂趣．

(3) 可以重復(fù)利用,避免浪費(fèi).

這種陶瓷片重復(fù)多次后,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)沒有太大的影響,在清理陶瓷片表面并密封保存一段時(shí)間后,能重復(fù)使用,能產(chǎn)生很好的實(shí)驗(yàn)效果,相對與鉛柱和粗熔絲,可以減少浪費(fèi)．

(4) 源自生活,材料環(huán)保.

這種陶瓷片在生活中很常見,新的及廢棄的陶瓷閥芯均可利用,材料易獲得且環(huán)保,陶瓷制品無污染．

3 總結(jié)和建議

在課堂教學(xué)中,可利用傳統(tǒng)的鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn),效果直觀明了,學(xué)生很感興趣,可以能產(chǎn)生很好的教學(xué)效果(圖7),但要注意,不要污染陶瓷片的接觸面;在擠壓時(shí),要保持一定的時(shí)間和力度,讓陶瓷片產(chǎn)生較大的分子力之后再掛重物．

這種陶瓷片的成本不高,可以引導(dǎo)學(xué)生在家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(圖8),利用該陶瓷片可以輕松提起一件單衣,增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)和樂趣;可以利用開設(shè)分子間作用力的開放性課題,促進(jìn)學(xué)生尋找發(fā)現(xiàn)新的材料,自己動手DIY并進(jìn)行實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神,促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新素養(yǎng)的養(yǎng)成．

圖7

圖8

1 曹鵬,王偉民.夾層有水玻璃難分開的主要原因不是分子引力[J].物理教師,2014(9)：60.

2017-02-13)