中学物理实验技能训练讲义正文 - 图文(7)

中学物理实验技能训练讲义

如图3-1所示，就是（注：该研究成果是罗星凯教授国家级教学成果奖之一，后来许多地区的中学教师也仿制了类似的装置）按照以上所述的设计思路制成的装置。图中的摆球选用直径稍大的铅球或钢球，通过球心钻一直径为３毫米左右的孔。细软管可采用医用一次性输液管中与针头相连的那一段细管，可找多根这样的细管，用塑料接头连接成足够长的细软管，它一头与注射器连通，另一头穿过摆球上的孔而过，通过塑料接头与一个４号医用注射针头相连。演示时，先用注射器向管中注入适量墨水（墨水要经过滤处理），直至墨水流到接近针头处，这时，不再推注射器活塞，墨水并不喷出。接着让摆球开始振动，待其稳定后，启动记录底板，然后再开始轻推注射器活塞，一股细墨水流随即从针头喷出射向平放在运动记录底板上的白纸，图线描绘开始。而若要终止图线描绘，只需要将推改为轻拉注射器活塞，喷墨即可停止，控制起来十分方便自如。由于从小号针头喷出的墨水流很细，这样描绘好的图象可立即拿起来立放供学生观看。但若进一步要求学生也能够看到图线描绘的过程，则可以采用如图3-2所示的方式悬挂摆球。这样，只要使记录底板置于竖直平面内上、下运动、针头与底板平面垂直且足够靠近，从针头喷射到底板上的墨迹就可以很好地反映出振动体的运动。

温州平阳中学的陈谦敢教师则从另外一个角度来思考这个问题：既然沙子的减少会显著减少摆球的质量，那么如果把摆球的质量做得非常大，以至于沙漏对摆球质量影响微乎其微，那么不就达到了要求了吗。因此他在教学比武的时候特制了一个质量很大的钢球，将钢球空心穿孔，放入非常细沙。注意教材中所提到摆球通常是将细沙放到到常规木质漏斗或者塑料漏斗中去。

演示简谐振动图像的另一个关键问题是如何保证记录底板的匀速运动。常见的改进方案是将原来的手拉底板改为电机驱动（陈谦敢教师采用），虽然调试起来要花功夫，但是切实可行。简便易行的办法是用两个运动小车驮载一块木板（用胶带纸或橡皮泥将车与板固定即可），然后用一电动玩具小汽车拉动木板。由于电机在负载不变时转速稳定，这就从技术上保证了所描绘出的图线的质量。但笔者认为不能断定学生就能理解和确信这一点。尤其值得指出的是：在教学中，记录底板保持匀速运动应该作为实验条件而事先得到学生的认可，而不能颠倒过来根据所绘出的图线结果来判断底板的运动。因此，不仅有必要在技术上保证底板的匀速运动，而且要让学生易于感知和理解这种运动，从而确信它。如图3-3所示的使底板运动的方法就可以做到这一点。图中记录底板照前述方法置于运动小车之上，用一根细绳一端连接运动底板，另一端跨过滑轮挂一质量m。若调好m的大小，使它的重量刚好可以抵消所有动摩擦的影响、使小车运动时处于受合力为零的状态。这样，“静者恒静，动者恒动”，小车就可以被停

止在任意位置，但轻轻往滑轮方向推它一下，就可使小车匀速运动。运动的快慢完全由初始的推动决定，若推动很轻微，可使小车以极其缓慢的速度运动，以利学生观察并确信其速度不变化。在实验上，这看似不易实现。而实际上只要选取了质量较好的运动小车，就很容易做到。研究者（注，指罗星凯）采用两个运动小车驮载记录底板，效果令人满意。

同样，在按图3-2所示的方式悬挂摆球的情况下，记录底板的运动可以采用一个阿托伍德机式的装置来实现。如图3-4所示，两根细绳一头挂住记录底扳，另一头分别跨过固定在平板上的两个滑轮（要求采用摩擦很小且均匀的）与平衡杆相连。调节平衡杆或记录底板的重量（可采用在平衡杆上挂小铁丝圈、在记录底板背面贴胶布或粘橡皮泥的办法），使平衡杆重量略大于夹上白纸后记录底板的重量，以刚好克服底板下降、平衡杆上升时系统所受的摩擦力。这样，记录底板可以被停止在任意位置，但被轻轻下推一下后，即可见其匀速下降，速度看不出明显变化。这样实现的匀速直线运动，学生在看到最后描绘的图线之前就可以不仅感觉到，而且能理解、确信它，因而有利于逻辑清晰地安排教学过程，避免含混不清。

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最后，请同学们结合本内容思考以下几个问题：实验改进的哪些有重要思路？结合本节内容举例说明；教学实验仪器的评判应该考虑哪些需要因素；用前面介绍的简谐振动图象的实验方法得到了一条正弦或余弦曲线，为什么就说简谐振动的图线是一条正弦或余弦曲线呢？从过程看，实验得到的曲线本身最直接反映的是什么？ 二、机械波演示实验的设计和改进

相信绝大多数同学在读高中的时候，均没有见过老师在课堂上演示过物理课本所列的机械波演示实验。如图1-1所示，一般的高中教材或者教学参考书均有这样的表述：手持绳子，抖动一下，就会出现如图所示的一列凹凸相间的机械波。但是如果教师对该实验没有做过比较深入的研究，就手持一列绳子，用力抖一下，一般是看不到所谓的“凹凸相间的波”的。究其原因，主要是一般的绳子波速太快，因此要演示出图1-1所示效果的波的效果，对绳子的选材、抖动方式都极有讲究的。以上因素导致了大多数教师放弃演示该实验（当然也有很多教师用其他类似的器具来代替，另当别说，我们下面也要进行分析），这也是为什么广大同学在高中难以见到老师演示该实验的原因之一。

我们知道，如果将张紧的绳子振动的模型应用于绳中的横波，其波速为：v?T?。从公式可知，要降低绳子的波速，需要选择张力较小、密度较大的绳子。而主要就造成了选择的两难问题。首先为降低波速需要选择密度较大的绳子，但是绳子的线密度较大，一般绳中的张力则由于绳子的自重使之张得更紧而增大。解决方案之一就是采取数值悬挂橡皮绳或麻绳并在绳子上等间距地穿一些玻璃珠、螺丝帽或者保险丝之类的重物。其效果相比于原来如图1-1的方法有显著改进。但是又有另一个问题出现，即只有在绳子下方才可以看到明显的波动现象，而在绳子的上方几乎看不到出波来，其原因在于，沿绳子自下而上，张力是递增的，这样越靠近上方，波速越大，波长也越大（频率不变），因此在绳子的上端看不出波动就很自然了。

考虑到以上情况，我们设想，如加在绳子上的质量不尽相同，而是从下向上递增，则有可能使绳子上下部分波速趋于相同。实验上，我们可以采用乳胶管作为绳子，为便于确定质点的质量，用保险丝栓在绳子上代替玻璃珠作为质点并使组成各个质点的保险丝长度成等比数列，做成后粗的一段拴在一钢片锯片上，另一端刚好垂直落在地面上，如图3-16所以，手持钢锯片不断振动，通过观察体验适当调整驱动方式和频率，可以达到比较好的实验效果。

以上介绍的横波演示方法比较简单易行，但是波速仍然很难降到很慢的效果。现在很多中学有如图9-1（浙江慈溪中学高国治教师设计）

或图9-2（天津南开大学附中王春长教师设计）所示的机械波演示仪。这些仪器的一个共同特点就是张力小，波速很慢，可以达到0.3m/s。

不过从简单易行的角度来说，如图9-3所示的简易波动演示仪更值得推崇。只要准备大约25根饮料吸管，在每根吸管的两端各别上一个回形针，将吸管一次粘在透明胶带上，间距约为25mm，然后将胶带粘在高处，下端吊着胶带纸卷，向下拉动胶带卷，使所有吸管静止，沿水平面波动最上端或最下端的吸管，使之突然离开平衡位置后放手，可以看到振动沿纸带依次传遍整个吸管，从整体上看就是一列波在进行的情况，而每一个吸管却只是在 …… 此处隐藏：3933字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……