萬欣欣

摘 要：“反沖運(yùn)動(dòng)”[1]是高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，學(xué)生很難理解此運(yùn)動(dòng)。目前已有的反沖實(shí)驗(yàn)儀，均只能從直觀現(xiàn)象定性反映 “反沖現(xiàn)象”，并未有某一實(shí)驗(yàn)儀器可以清晰的定量分析“反沖現(xiàn)象”。本文在研究“磁懸式反沖實(shí)驗(yàn)儀”及普通反沖實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，制作了實(shí)驗(yàn)效果明顯的反沖實(shí)驗(yàn)儀器?？梢愿玫胤?wù)高中“動(dòng)量守恒定律”教學(xué)，同時(shí)也使學(xué)生能夠從感性、理性兩方面去全面的了解、掌握“反沖現(xiàn)象”。

關(guān)鍵詞：反沖 動(dòng)量守恒定律 實(shí)驗(yàn)儀 物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0189-02

伴隨著2017年高考物理考試大綱[2]的修訂，已將高中物理選修3～5重新納入到高考必考部分，使“動(dòng)量守恒定律”重新成為高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而作為“動(dòng)量守恒定律”在實(shí)際生活中的運(yùn)用，當(dāng)然也變得至關(guān)重要。本文在研究普通反沖實(shí)驗(yàn)儀時(shí)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器均是以水反沖或者是蒸汽反沖，只能粗略看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并未能定量體現(xiàn)出反沖現(xiàn)象。筆者通過改進(jìn)現(xiàn)有反沖實(shí)驗(yàn)儀器的同時(shí)制作了“反沖實(shí)驗(yàn)儀”，不僅效果明顯，并且可以定性分析反沖實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此儀器可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握“反沖現(xiàn)象”。

1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思想

對“磁懸式反沖實(shí)驗(yàn)儀”[3]（儀器如右圖1）而言，在蒸汽從噴嘴噴出時(shí)，由于氣體反沖作用，帶動(dòng)整個(gè)自金屬球以下整個(gè)燒瓶轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鐵和金屬球之間由于磁力作用相互吸引，由于磁鐵球球切面和頂端磁鐵相連接使得噴氣反沖容易帶動(dòng)金屬球以下燒瓶整體轉(zhuǎn)動(dòng)。在此同時(shí)，暴露出兩個(gè)問題：其一，本實(shí)驗(yàn)儀器對金屬球和磁鐵之間磁性要求甚高，筆者在研究后認(rèn)為：本實(shí)驗(yàn)儀器，沒有磁懸必要，若在金屬球和頂端支架處系一根細(xì)線，在瓶身周圍做適宜固定裝置防止瓶身隨意擺動(dòng)，同樣可以達(dá)到此實(shí)驗(yàn)儀器效果。其二，本實(shí)驗(yàn)由于采用原理是靠蒸汽，蒸汽質(zhì)量和噴出時(shí)速度都很難測量，在要求測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，難度很大。通過研究本實(shí)驗(yàn)儀器和一般反沖實(shí)驗(yàn)儀器[4]后筆者認(rèn)為：磁懸的目的是為了減輕反沖過程中的摩擦；目前的反沖實(shí)驗(yàn)儀僅能夠定性的演示反沖現(xiàn)象，卻無法從定量的角度演示，故筆者嘗試制作出了以下可定量測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反沖實(shí)驗(yàn)儀器“懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀”。

2 儀器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀

2.1.1 制作材料222

如圖所示實(shí)驗(yàn)儀器制作材料包括：塑料瓶、塑料板、鋼鋸、銼刀、細(xì)線、小刀、強(qiáng)力膠水、噴嘴、刻度尺、秒表、彈簧秤

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制作如圖所示實(shí)驗(yàn)儀器。并用米尺測量甲、乙噴嘴至噴嘴中心半徑長度記為R甲，R乙。

（2）首先用手堵住噴嘴甲，將水裝至頂端刻度線，并用彈簧測力計(jì)測出此側(cè)面水的質(zhì)量m甲1；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側(cè)面當(dāng)水裝至頂端刻度線時(shí)的質(zhì)量m乙2；再次用用手堵住噴嘴甲，將水裝至底端刻度線，并用彈簧測力計(jì)測出此側(cè)面水的質(zhì)量m甲3；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側(cè)面當(dāng)水裝至底端刻度線時(shí)的質(zhì)量m乙4；最后用分別記噴頭甲底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質(zhì)量為m甲，同理記噴頭乙底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質(zhì)量為m乙.

（3）首先用雙手堵住兩個(gè)噴嘴，將水分別裝入到塑料瓶的兩側(cè)，使水位達(dá)到刻度線一并且使兩側(cè)液面持平。

（4）同時(shí)松開堵住噴嘴的雙手，并開始用秒表對甲、乙兩噴頭計(jì)時(shí)，并數(shù)塑料瓶噴嘴甲、乙轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等兩側(cè)水位下降至底端刻度線時(shí)，停止計(jì)時(shí)。記轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間和圈數(shù)分別為t1，t2；n1，n2。重復(fù)實(shí)驗(yàn)求出t1，t2；n1，n2平均值，并計(jì)算出其周期T從而計(jì)算出線速度記為，。

（5）重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn)求平均值，再將噴嘴各個(gè)側(cè)面流出的水的質(zhì)量分別計(jì)算重力平均值對應(yīng)質(zhì)量記為m1，m2。

（6）驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律m1v1與m2v2的值近似相等則說明動(dòng)量守恒。

2.1.3 儀器原理

通過甲、乙噴嘴所對應(yīng)下降的水位，測出實(shí)驗(yàn)過程中甲、乙噴嘴所對應(yīng)的流出水的重力從而測出甲、乙噴嘴所對應(yīng)下降的水位的質(zhì)量m1，m2。通過轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和時(shí)間，可以測量出甲、乙噴嘴轉(zhuǎn)動(dòng)所對應(yīng)的周期分別為t1，t2。由圓周運(yùn)動(dòng)公式線速度大小由V=R（）計(jì)算出甲、乙噴嘴轉(zhuǎn)動(dòng)所對應(yīng)的平均線速度，.由于初始狀態(tài)沒有速度系統(tǒng)初動(dòng)量為0，最后驗(yàn)證和的值若近似相等，由于速度方向相反，則，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律成立。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

結(jié)論：通過兩噴嘴噴出水的動(dòng)量在允許誤差范圍內(nèi)，近似相等。說明此系統(tǒng)的動(dòng)量守恒。

3 儀器制作過程改進(jìn)及反思

3.1 懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀制作過程中的改進(jìn)及反思

為了使此實(shí)驗(yàn)儀器能更加完善，在制作過程中做了以下改進(jìn)。

（1）最初采用四個(gè)噴嘴，但由于四個(gè)噴嘴水流流速過快，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，并且不易測量每個(gè)噴嘴的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和時(shí)間，在實(shí)際操作中需要參與人數(shù)過多。最終采用2個(gè)噴嘴，但噴嘴變少，動(dòng)力不足，所以將扁型噴嘴變?yōu)閳A形以增大水流量。

（2）為了更好地測量在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩個(gè)噴嘴流出水的質(zhì)量，決定將塑料瓶隔開。但在隔開過程中，很難估計(jì)塑料瓶口弧段部分隔開需要透明板大小，最終決定空隙部分灌入強(qiáng)力膠來密封縫隙。

（3）若在瓶轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可能有一定晃動(dòng)，決定在瓶底底部放一個(gè)固定瓶不大幅度晃動(dòng)的鐵架臺(tái)。

（4）避免用兩根線來懸掛塑料瓶，在塑料瓶轉(zhuǎn)動(dòng)過程中兩線交叉扭動(dòng)，采用一根線懸掛塑料瓶。

4 儀器制作的意義

其一，作為演示反沖的演示儀器，其最終的目的是能突出其原理和過程并能定量得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使此實(shí)驗(yàn)儀器能更好的為高中物理教學(xué)服務(wù)。從制作儀器所需要的物質(zhì)來看，既要求所選的材料低碳環(huán)保、貼近生活，又要求盡量讓使用的材料使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀，效果達(dá)到最佳，在高中物理階段，動(dòng)量守恒定律是一個(gè)比較困難，比較抽象的知識(shí)點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)該盡可能的通過實(shí)驗(yàn)的手段使學(xué)生真切的感知到此反沖現(xiàn)象的存在，從而讓學(xué)生從現(xiàn)象中挖掘物理知識(shí)及內(nèi)容，從而更加透徹的理解有動(dòng)量守恒定律的知識(shí)，使學(xué)生能從生活走向物理，從物理回歸到生活。

其次，由生活中常見的材料所自制教具比起廠制儀器更能激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手欲望和創(chuàng)造性，更能讓學(xué)生感覺到科學(xué)與生活息息相關(guān)，更能有效的傳播非語言教育信息，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的種種問題，都必須歸結(jié)到物理學(xué)的理論、思想、方法和教學(xué)論的思想兩個(gè)方面來進(jìn)行研究。自制實(shí)驗(yàn)教具，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生和教師的主觀能動(dòng)性是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要指導(dǎo)思想。

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