用日常材料设计物理演示教具.doc

用日常材料制作物理实验教具四川师大物理与电子工程学院 潘学军自从我们国家的前总书记江泽民同志关于“创新”讲话以来，即，1995年在全国科学技术大会和1998年在俄罗斯新西伯利亚科学城的讲演以来。这些年关于如何培养大、中、小学学生的分析问题、解决问题能力，动手实践能力，创新意识、创新能力，这类词语、话题在各种文件、报纸、文章、广播、电视等各种场合出现的频率是越来越高与其相关的话题也越来越多。当今世界各地的教育家一致认为，培养学生的创造力是现代教育的首要目标，也是社会变革与进步的一个重要指标。如何把培养学生的实践能力、创新能力与我们的教学相结合是我们每个教育工作者义不容辞的责任。作为一个中学物理教师若能利用日常生活中的废品和常见材料设计制作一些简易、实用的教学用具，除满足自己的教学需要外，还可通过教具制作开展一些学生的课外活动，让学生掌握一些常见工具的使用方法和技巧以培养学生热爱学习、热爱生活和勤俭节约精神并能以此提高他们的实践创新能力，就是一件非常有意义的工作。要做好这项工作需要我们在座的各位共同努力。由于在创新这方面我们的经验、方法也不太多，但我想根据近年来我们物理学专业的培养目标，为培养学生在创新、实践等方面的综合素质、综合能力所作的一些工作，给在座的各位同仁作一简要汇报，以起抛砖引玉之用。不当之处敬请批评指正。 为了加强和提高同学们的创新意识和能力，特别是提高利用新技术、新方法、新材料改造旧仪器，设计新仪器以提高中学物理教学水平和质量的能力，从2006年以来我们学院给物理学专业的学生新开设了一门叫物理实验研究与创新的课程，该课程开设以来一直受到学生们的欢迎，通过该课程的学习使学生在动手实践能力和创新能力方面得到一定的提高，致使我校的学生在毕业求职和这几年参加全国师范专业大学生物理专业技能大赛方面都取得较好的成绩。现在这门课已从原来开始的选修课变成必修课，课本也从讲义变成正式出版的教材。下面将课程中有关教具制作的目的意义及部分相关自制教具应用实例中的部分内容介绍给大家，希望对你们今后的工作有所帮助。一自制物理实验教具的意义物理学是一门实验科学，物理实验是物理学的重要部分。物理规律的发现、物理理论的建立和物理学的发展，都离不开实验，都必须以严格的物理实验为基础，并受到实验的检验。因此,物理实验在物理学的创立和发展中占有十分重要的地位，同时在推动其它科学和工程技术的发展中也起到重要的作用。不言而喻，在物理教学中物理实验的作用是非常重要的。自制仪器教具是古往今来历代科学家的优良传统。物理学的许多重大成就在很多情况下就是伴随着仪器的成功设计而诞生的。如：1785年法国的库伦用自己设计的扭秤，通过“扭秤实验”研究电荷之间的相互作用力，发现了我们现在所熟知的库仑定律；还有1798年英国的物理学家、化学家卡文迪许利用自己设计的更大的扭秤，测定了万有引力常数G值大小；又如，英国的物理学家，约瑟夫约翰汤姆逊于1897年用特殊设计的阴极射线管进行实验而发现了电子，后来他又用他的学生查尔斯汤姆逊里斯威尔逊发明的原子型的云室测定了电子的荷质比，从此人们不再认为原子具有整体性了。更重要的是1888年，德国的物理学家亨利希赫兹用他自己设计的仪器产生了预先设定频率的电磁波，并通过进一步研究，观察到了电磁波也像普通光波一样，具有反射、折射、衍射等性质。这样，麦克斯韦于1863年所作的预言完全得到了证实。7年以后，马可尼和波波夫利用赫兹的电磁波实验，分别发明了无线电报，开创了通信技术的新纪元。后来爱因斯坦对法拉第、麦克斯韦、赫兹作了如下评述：法拉第和麦克斯韦的思想，是物理学自牛顿以来的一次最深刻和富有成效的变革；麦克斯韦的天才迫使他的同行们在概念上要作多么勇敢的跃进。只是等到赫兹以实验证明了麦克斯韦电磁波的存在以后，对新理论的抵抗才被打垮。在中学物理教学课堂上，国外很重视学生自己动手自制仪器。例如 英国 Tom Decan 著的中学物理教材中，他在讲述胡克 (Hooke Robert 16351703) 定律时，就要求学生用新的裸铜线自制弹簧秤。他要求每个学生用直径1mm左右的铜丝，在圆铅笔上绕 (25 30) 圈然后每次用10克砝码将弹簧拉长，做出记录。由此总结出胡克定律的基本思想。 我们认为，提倡自制教具，不仅仅是教学条件困难才自制教具，即使办学条件好的重点中学也该重视自制教具。教师用自己制作的教具与使用厂家生产的教具来讲课，教学效果是不一样的。使用厂家制造的仪器，虽然比较规范、比较精致美观，但是，使用自制的仪器教具，却可以更能让学生看到仪器的内部构造，了解仪器的工作原理。另外更重要的是：当学生看到那些用生活物品与身边的常见材料来做实验时，会使学生觉得物理离自己更近，容易激发学生热爱物理、热爱科学的情感。现在普通高中新物理课程标准中已明确指出：要突出物理学科特点，发挥实验在物理教学中的重要作用，物理实验是高中物理教学中的重要内容。教师应该积极开发适合教学的实验项目，充分利用实验资源做实验。提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验。 观察现象、进行演示和学生实验，能够使学生对物理事实获得具体、明确的认识，这是理解概念和规律的必要的基础。观察和实验对培养学生的观察和实验技能，培养实事求是的科学态度，引起学习兴趣，具有不可代替的重要作用。大力加强演示和学生实验，学校和教师应根据课程标准的要求安排足够的学生实验和演示实验；应最大限度地利用实验室现有的器材，力求利用多年闲置的器材开发新的实验；充分地开发和利用实验室的丰富课程资源，实验室的课程资源不仅限于实验室的现有设备，学生身边的物品和器具也是重要的实验室资源。利用日常器具做实验，不但具有简便、直观等优点，而且有利于学生动手，发展学生的实验技能，培养学生的创新意识。尽快改变实验室的封闭式管理状态，实验室应该尽快向学生开放，鼓励学生主动做课外实验。第三次全国教育工作会议精神以及新世纪高等教育教学改革工程中均提出，从新世纪对高等学校人才培养的要求出发，要建立高等学校基础课实验教学示范中心，开展对高等学校高层次基础课实验室建设方面的研究，重视高校实验室工作，改善实验室条件，推进实验室管理体制改革，创建实验教学改革的机制，改革人才培养的模式。在物理教育硕士研究生的物理实验设计与研究课程教学大纲中也曾明确提出：通过典型实验的实验室学习研究，使学员会根据中学物理教学的要求，设计和改进实验，能自制和改进教具，并能应用新技术、新材料更新和充实中学物理实验内容。近年来不管是对中学、大学还是研究生,其物理相关教学课程要求中都对物理分组实验、演示实验、教具制作提出了明确要求。为了提高培养人材的创新、实践能力，适应社会需求，很多高校都根据本校的特点和培养目标要求，除继续开设大学物理实验外还陆续开设了设计性实验、综合性实验和简单仪器教具制作一类的课程，通过这类课程的学习进一步提高学生理论联系实际和动手实践的能力。为此，我今天给大家讲自制教具这个话题同样也是为了使大家在提高中学物理教学质量和实践动手能力等方面有所帮助。鉴于我国目前中学物理实验教学现状，自制教具既可以培养学生的创造能力和开阔学生思维，也是解决当前仪器不足的有效途径。所以在任何条件下物理教师都应该亲自动手自制一些教具，不断改进实验条件。即使将来教学条件有所改善，这一传统也绝不能丢掉。重视自制教具的作用也是物理教学中一条重要指导思想。 二 制作教具的几个基本问题 2.1 教具制作的基本要求 教具制作不仅仅是一种模仿性的工作，相反教具制作中也含有较多的创造性和创新性。教具制作过程中有那些具体要求呢？ 1） 启发性 制作的教具应该有丰富的物理学思想，能启迪学生的思维。有利于培养学生的创造能力。我们反对把重要的物理原理无法展现 ( 或不重视展现 ) 在学生面前，学生看了实验却一无所知，一无所获。我们提倡让学生能看懂它所需要演示的物理原理。 2） 经济性 我们要求自制的教具少花钱或不花钱，这样教具成本低，只要能达到演示效果就行。所以，我们提倡 “坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”。这种勤俭节约的办学精神。（我国著名物理教育家，第三届全国人大代表，第五届全国政协委员，朱正元教授历来主张，物理学的教学应当师生动手制作教具仪器。他说：“不要迷信只有工厂制造的仪器才是仪器。”他提倡物理教学要设法不花一文钱而能做物理实验，以一枚硬币和一张废纸可以表演重力加速度相等的实验，这就是他所提倡的“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的含义。） 3） 可靠性 我们要求自制的教具能坚固耐用、不易损坏；安全可靠、工作稳定。 我们做的教具并不是只做一次实验就不要了，也不是只求偶尔成功一次。教具应该重复性能好。 4） 可观性 教具是演示物理现象给全班同学观察的，不是一个人拿在手里的袖珍玩具。用八个字可以概括 “尺寸够大，简单明了”。 所以自制教具尺寸应该尽可能大一点或者能通过其它方式能使全班同学都看到。2.2 怎样设计自制教具 说起来容易做起来难，真要动手时，又不知从何处着手。因此，不少教师为此而产生畏难情绪。一般来说自制教具之前首先要进行方案设计，绘出草图后方能施工。对于比较复杂的教学仪器或教具的设计和制作是一项比较综合、复杂和细致的工作；它涉及仪器用途（用来干什么，演示还是分组实验）、精度（定性还是定量，测量结果准确到何等程度）；设计依据（设计原理、方法）；设计装置（包括机械结构、连接装配方式、电路原理、印刷电路、外观形式等及选材，用什么元器件、原材料）；机械零部件加工和电路板制作，中间试验，综合实验，确定最终方案，设计零件图、装配图，设计加工外壳；总装、调试（定标）等多项工作。当然对于简单的教具就不需要这些考虑，只要画出结构、尺寸示意草图，只要能用尽可能简单的方法做出来并且能达到演示要求就可以了。另外，设计时应注意： （1）不要脱离物理教材。脱离了物理教材，任何具有深奥物理原理的仪器，都会在课堂上失去光辉、失去意义。 （2）不要放弃一点一滴的改进。前人已经有了许多这方面的研究，各种资料都有许多介绍，但是只要我们抓住某一点或某一个方面进行改进，也可以得到收获。例如：在趣味性方面着手，可以增加学生学习兴趣，刺激学生的兴奋神经，产生深刻印象，提高学生学习物理科学的积极性。又例如：在制作材料上下功夫，如果能使学生唾手可得，显然具有推广意义。再例如：在启发性方面着手，可以展示物理过程，让学生揭示物理现象发生的步骤。 （3） 不要超出自己制作能力的范围一切从实际出发，量力而行，不要好高骛远。否则一旦动手之后，难以为继。 2.3 教具制作材料来源 自制教具需要材料，怎样解决这个问题呢？我们提倡：制作教具的材料主要利用日常生活常见物品或废弃物品。除非不容易得到的材料和重要部件，才可以购买或用实验室其它仪器充当。 归纳起来，有五个字：找、拣、拆、要、买。 找生活中时时留神，处处寻找。例如：找来旧包装盒可做物体稳度实验；找来废牙刷柄、废签字笔杆等做电荷间相互作用实验或做支撑杆；找来泡沫塑料、铝箔制作静电相互作用力小球， 。平时注意将自己生活中使用过后留下的一些废品如：废笔杆、饮料瓶、易拉罐、吸管、充电器、等，收集存放以备及时之需。拣当身边没有适当材料时也可去垃圾堆拣废品，拣废料。如从垃圾箱里拣来旧罐头盒，废塑料盒、废饮料瓶、易拉罐、废蜡烛头等做空气对流实验、物体沉浮演示实验、反冲实验；拣来钢筋、铁钉，铁丝等加工连接或支承等部件。 拆将一些已经用坏的仪器或日用品，如节能灯座、充电器等将其中的有用零件如：变压器、二极管、三极管、电容器、电感等拆下来备用，变压器一般原边绕组容易烧坏，但其副边绕组通常是好的，根据这点我们可用来做电磁振动体的零部件等。 要向有关单位和部门要一些少量报废的东西。向水电工要废旧PVC管；向医务室要废针头，废药瓶；向办公室工作人员要废椭圆形墨水瓶，。 买能不买的尽量不买，有些找不到又不宜制作的物品才花少量钱去买。例如：磁铁、电阻、电容、激光笔等。三、简易自制教具制作与演示1 用废易拉罐等制作的空气对流演示器图1如图1所示，利用废易拉罐、废铁丝、蜡烛头和螺钉等可以制成用于演示空气受热膨胀后形成对流气体推动叶轮旋转的对流演示器，加强学生对对流的理解。即,当蜡烛点燃后筒内空气受热膨胀体积增大密度减小将向上运动，而周围密度较大的冷空气将移过来填补从而形成对流现象。通过观察叶轮的转动说明对流原理。制作材料、工具及方法（1） 材料：废易拉罐、废铁（铜）丝、蜡烛、小螺钉等。图 2（2） 工具：划针、直尺、铁圆规、手锯、锉刀、铁皮剪刀、台钻、虎钳等。（3） 制作方法及过程（1）在台虎钳上用手锯切割废易拉罐； 用铁皮剪剪切锯割后的易拉罐皮； 用直尺、圆规在材料上出所需划叶轮图形；如图2所示.图 31.6M32-3用剪刀将图形剪下并修整叶轮形状，并用手钳扭转叶轮角度，同时注意叶轮的对称性；用台钻加工中心孔、底座固定孔及用M3小螺钉加工用于降低重心的支撑螺钉孔。如图3所示.用锉刀将废铁丝加工支撑轴尖并将铁丝固定于底座上。将叶轮放于轴尖上并检查转动灵活与否。放上蜡烛点燃进行演示。（4） 制作注意 由于易拉罐皮很薄，锯割时请用力要小且要边锯边转动以免锯条被钩住。 画线可用中学学过的几何作图法将圆周等分为12份、16份或其它数目。加工轴尖支撑孔时由钻头较细钻孔时注意用力不要太大且用力要均匀以免钻头折断。用锉刀打磨轴尖时注意角度对称光滑以减少摩察阻力。 注意叶轮与火焰的间距离要在10cm左右，不要太近，否则对流效果不好叶轮很难转动。 2.用废饮料瓶等制作喷泉实验演示器在讲大气压强时，为了让学生比较形象直观的认识到大气压的存在和利用大气压的现象，我们可以做一些既能说明问题又能激发学生学习兴趣和积极性的小实验。其中喷泉实验就是一例。图 7-1-2p图 7-1-3hsHp0p0312451）仪器的装置如图7-1-2所示，主要由以下部分组成：（1）外壳比较厚实的饮料瓶；（2）喷水管：用废签字笔芯去掉其笔尖金属部分并清洗干净；（3）出水管：废签字笔外笔杆、饮料吸管或橡胶管；（4）储水槽：用废饮料瓶盛水，作为供水的水源；（5）接水槽：用废饮料瓶接出水管流出的水，也可直接把出水口与下水道相通。2）制作方法将饮料瓶盖取下用钻头或电烙铁钻出或烙出与笔杆和笔芯大小相同的孔后用AB胶或环氧树脂粘牢即可。注意不能漏气! 3）工作原理如图7-1-3所示，当水沿出水管3流出时，封闭在饮料瓶1中空气的体积增大，压强减小，使管外大气压强大于管中空气的压强，所以水能从喷嘴2喷出。喷射的水柱高度由储水槽4与接水槽5水平面间的高度差来决定。水柱喷射高度的计算方法如下：设大气压强为p0，签字笔喷管中的空气压强为p，接水槽到储水槽的高度差为H，储水槽液面到饮料瓶中液面的高度差为s，喷射水柱高度为h。则储水槽液面的压强应满足: 接水槽液面的压强也应满足: 由以上两式可得Hh，即水柱高度等于出水口到进水口的高度差，由于水与管之间有粘滞阻力，因而实际上hH。该实验不仅说明了大气压的存在，同时也是利用大气压的一个很有趣的实验。3气垫盘实验在地球表面，惯性时常会被摩擦力、空气阻力等等效应掩蔽，从而促使物体的移动速度变得越来越慢（通常最后会变成静止状态）。由于速率不高的物体在空气中运动所受的阻力比在物体表面运动时小得多，用气垫盘可以近似地演示物体不受阻力时的运动状态。如图7-1-4所示的简易气垫盘值得推荐。图 7-1-4（a）（b）25气垫盘的制作方法如下：图 7-1-5方法1：如图7-1-4（a）所示，取一只橡皮塞或软木塞，在其中心上端钻一个直径约为12mm的圆孔，下端钻一约直径5mm的圆孔，两孔相通，大孔洞对准废光盘中央的孔，将它们胶合在一起（胶合处用蜡或AB胶密封，不能使缝隙处漏气）。将充气的气球套在橡皮塞上，然后把光盘放在水平玻璃板上或很平整的桌面上，松开气球颈部的扎线或夹子，由小孔喷出的空气在光盘和玻璃间形成气垫，如图7-1-4（b）所示。这个气垫能使光盘游离在玻璃之上，摩擦极小，它在玻璃板上运动时很接近匀速直线运动。方法2：用废签字笔和废光盘来做。先用一小片厚2-3mm的塑料板（有机玻璃板、废光盘也可）切割成直径20-30mm小圆块或小方块，并在其中心钻2mm左右的圆孔，用二氯乙烷或其它胶粘剂，粘贴在废光盘中心，（注意一定要粘贴在有凸起的那面，即有记录信号的那面）；用手锯将签字笔笔套（笔帽）的笔挂顶端将笔挂锯下，并用锉刀打磨平整后也用胶粘剂将其对准小圆块中心粘贴，注意粘贴时使笔套垂直于光盘；将笔杆前端锁紧笔尖处卸掉，将笔杆（即捉笔处）锯下40mm左右一段，打磨平整将气球套上后用线栓牢,如图7-1-5所示。演示时可先将气球充气后用手捏住，待插入光盘上的笔套后放到清洁平整的桌面或地面即形成气垫盘。4伽利略的理想斜面实验图7-1-7 斜面实验演示装置两个相连接的倾斜轨道，小球在轨道上运动会先下降后上升。使一个小球从倾斜轨道的某一高度处滑下，小球在经过轨道最低点后沿轨道上升，上升到一定ABCDEH图7-1-6 理想斜面实验示意图F高度后静止。伽利略发现若忽略摩擦力，小球上升的高度与释放的高度将始终相等，于是他推测，如果是一个倾斜轨道接一个水平轨道，那么小球永远也不能上升到初始高度，于是小球就将永远运动下去。所以伽利略主张，施加外力改变的是物体的速度而不是位置；维持物体速度不变，不需要任何外力。为了证实他的主张，伽利略做了一个思想实验。如图7-1-6所示，让静止的小球从点A滚下斜面AB，滚到最底端后，小球又会滚上斜面BC，假设两块斜面都非常的平滑、摩擦系数极小，而且空气阻力微弱，以至于可以忽略不计，则小球会滚到与点A同高度的点C；假设斜面是BD、BE或BF，小球也同样地会滚到与点A同高度的位置。只不过斜面越长，往上滚的时候，单位时间内速度的减少量会变得越小。假设斜面逐渐延长，最后变成水平面BH，则基于“连续性原则”该小球“本应当”回到与点A同高度的位置，然而由于事实上BH是水平的，小球永远不可能滚到先前的高度，而速度的减少量将变成0，因此小球会不停地呈匀速直线运动。伽利略总结，假若不碰到任何阻碍，那么运动中的物体会持续地做匀速直线运动。他将此称为惯性定律1920。 本实验的关键是如何制作一个可以改变斜面角度的装置，经过研究和实践我们用塑料PVC板和PVC穿线管制成如图7-1-7所示的斜面实验演示装置可以较好地演示伽俐略的斜面实验。5流体具有惯性的演示 固体有惯性这是我们所熟习的，其实气体和液体也仍然具有惯性。为证明气体、液体等流体具有惯性，我们可用如图5（a）、（b）所示的实验装置进行演示。 图5（a）是用废茶叶筒和塑料板及少量铁皮、螺丝钉等制作成用于演示空气具有惯性的实验装置，该装置在点燃的蜡烛方向钻有一个直径10mm左右的小孔，当筒盖被快速关闭时，筒内的空气受到挤压，其中部分空气将会以一定的速度从小孔喷出，如果空气具有惯性，则当其离开茶筒后会继续前进，将位于行进方向的蜡烛吹灭，否则说明空气没有惯性。图 5 流体具有惯性演示（a）气体惯性的演示（b）液体惯性的演示图5（b）也是用塑料板、装白酒的塑料外包装壳、有机玻璃等制作的用于演示液体具有惯性的实验装置。制作时用有机玻璃板将塑料外包装壳一分为二隔成两段，中间隔板高度约为其总高度的三分之二左右，可用三氯甲烷或AB 胶将其粘合，不漏水即可。演示时可先在筒里装上带颜色的水，使水不要漫过中间隔板，将其放在平板小车上，若匀速推动小车，则水不会翻过隔板；若将运动小车突然停下，则筒中的水则会翻过隔板流到前面空筒部分，由此可说明液体也仍然具有惯性。6. 阿基米德定律（原理）演示物体所受浮力的大小等于所排开液体所受的重力。这就是著名的阿基米德定律（原理）。利用阿基米德定律（原理）除可以准确测量不规则物体体积及密度外，在船舶、飞行器、水陆两用器具等的设计制造中也有广泛运用。但对于中学生，特别是初中学生而言，因其掌握的知识和理解力非常有限，因此，更应该通过相关实验给学生现场演示，通过直观感受才能使学生更好地理解和掌握其中的原理。图 7-1-27 阿基米德原理演示器（1）（9）（2）（3）（5）（6）（4）（8）（7）为此，我们利用弹簧、PVC板、PVC管、废矿泉水瓶等，设计制作出如图7-1-27所示的演示装置，可以很好地演示阿基米德定律。该装置由底座1、调节支架2、弹簧3、指针4、刻度尺5、小桶6、圆柱体7、溢流杯8、接水杯9等组成。其中，底座用厚10mm的PVC板制作，其底面长210mm、宽155mm、厚25mm，底座背板高470mm、宽120mm，中间有一段长300mm、宽52mm的燕尾槽，背面有两颗M5的锁紧螺钉，用于控制调节支架的高度;支架由燕尾榫和型PVC条组合而成，在其上端设有弹簧悬挂螺钉。弹簧用一段20mm长的气垫导轨振动弹簧改成。指针用厚1mm宽20mm、长80mm的黄蜡板制作并通过钻有孔的螺钉与弹簧相连。通过计算机设计制作长200mm左右一段标尺作刻度尺，经打印后剪下贴在支架侧面，弹簧、指针、刻度尺即构成测力计。小桶及圆柱体均用直径50mm的PVC管及5mm厚的有机玻璃制作。为了使小桶的容积等于柱体体积，柱体加工高度为45mm左右，小桶高度为60mm左右；溢流杯用1.5L矿泉水瓶截取高度为170mm在155mm处钻10mm左右的孔，用签字笔帽去掉笔挂后做溢流嘴，经硅橡胶粘合固定而成；接水杯也用550mL矿泉水瓶截取60mm左右而成。演示过程如下：1. 演示前先在溢流杯中装上自来水，使水刚好溢出为止，同时将接水杯放到溢水嘴下；2. 分别将带有指针的弹簧、小桶、圆柱体等依次挂在支架螺钉上，通过调节支架高度，使圆柱体底部离开溢流杯水面。此时通过刻度尺读出指针在刻度尺上的位置，如图7-1-28（a）所示。3. 调节支架高度，将圆柱体逐渐浸入溢流杯中，直到完全浸没后固定支架，此时可看见水从溢流嘴流入接水杯，测力弹簧缩短，指针上移读数减小，可在此读出指针在刻度尺上的位置，如此两次读数之差即是圆柱体所受水的浮力大小。如图7-1-28（b）所示。4. 将接水杯中的水全部倒入小桶中，可看见小桶正好被水灌满，这表明被圆柱体排开的水的体积等于圆柱体的体积。同时测力计的弹簧又伸长到原来位置，如图7-1-28（c）所示。此时指针在刻度尺上的位置与图7-1-28（a）相同。图 7-2-28 阿基米德原理演示图（a）（b）（c）上述实验结果表明圆柱体浸入水中所受浮力的大小等于它所排开水所受的重力。如果换用其他液体，如盐水、酒精，也可得到相同结果。由此，著名的阿基米德原理（定律）得到证实，即：物体所受浮力的大小等于所排开的液体所受的重力。7.液体内部压强演示器我们知道在初中物理的“液体内部压强”教学中，液体压强原理可表述为：“液体内部向各个方向都有压强，压强随液体深度的增加而增大，同种液体在同一深度的各处，各个方向的压强大小相等；不同的液体，在同一深度产生的压强大小与液体的密度有关，密度越大，液体的压强越大。”要使学生掌握理解这部分教学内容，使用液体内部压强演示器做好演示实验，对引入液体内部压强的概念，揭示液体内部压强与液体深度的关系，进而导出液体内部压强的规律(液体内部压强公式)，起着基础性的重要作用。但目前尚在使用的液体内部压强演示器存在以下不足:（1）由于测压盒没有固定装置，因此整体性差；（2）不能或很难同时观察测压盒潜入液体内的深度和与之相对应的压强值，即操作与读数不便。针对该液体内部压强演示器的上述不足，我们利用饮料瓶，瓶盖，吸管，废气球，玻璃纤维板，橡皮管等设计制作成两例液体压强演示器经试用效果比较好，现介绍如下，供制作时参考。图7-1-16（1）（2）（3）（5）（4）1 U型压强计式液体内部压强演示器的制作如图7-1-16所示，U型压强计式液体内部压强演示器由盛水杯（1）、测压盒（2）、升降调节装置（3）、U型压强计（4）、橡皮管（5）等组成。（1）盛水杯可用1.6升、直径90mm左右的饮用纯净水瓶，从高度180-190mm处划线，剪去上面部分即成，加上用玻璃纤维板（或塑料板、木板）等制作的杯座后可增加稳定性防止倾倒。（2）测压盒可用直接用纯净水瓶盖或其它瓶盖将盖边沿毛刺用细锉刀打磨后，在盖底中心或边沿钻一3.2mm左右的孔，用M4的丝锥攻丝后待用。将一枚M412左右的螺钉中心钻一2mm通孔，再用一0.6mm厚、8mm宽、45mm左右长的白铁皮两端钻4mm孔后弯成直角作为测压盒可旋转调节架。将钻孔螺钉从瓶盖螺纹孔旋转穿过后用废气球橡皮膜剪出两个垫圈套入螺钉将调节架放上后再用螺帽锁定以防漏水、漏气；在螺钉露出部分（约5-6mm长）也用少量橡皮膜缠绕后用一小段吸管套入，再在吸管外套上橡胶管以防止漏气；瓶盖端面覆上气球橡皮膜后用橡皮筋固定即可，整个装置如图7-1-17所示。图7-1-17（3）升降调节装置升降调节及固定装置如图7-1-18所示，由固定支架、凸台式滑槽和升降调节杆等组成。其中固定支架用长105mm、宽35mm、厚4mm的玻璃纤维板废料制作，在两边相距80mm处用锯割出宽2-3mm、深15mm左右的卡口并在两侧固定两根宽10mm长100mm左右的限位条以便使用时很方便地将其固定在盛水杯上。升降调节杆用180124mm3的塑料块和110254 mm3的有机玻璃废料经螺钉连接而成凸台式调节杆；凸台式滑槽则用两对2030图 7-1-18固定支架滑槽升降调节杆测压盒锁紧螺钉限位条卡口4 mm3和15304 mm3的玻璃纤维板废料，根据凸台式调节杆的尺寸用螺钉固定在支架上即成；在支架的滑槽位置背面设置紧固螺钉，可调节和固定升降杆在支架的位置即调节测压盒在水中的深度。 （4）U型压强计如图7-1-16所示，U型压强计用两根直径4mm长165mm的饮料吸管、一段120mm长的橡胶管、一块200654 mm3有机玻璃、一块90654 mm3塑料板及少量角铝、铁皮和螺钉连接好以后并用移液管向饮料管中滴入适量的带颜色的水即组成U型压强计。将以上几部分按图7-1-16方式连接成一体，并在盛水杯中盛上适当的水后即可进行演示。如演示液体内部压强随着深度而增加：将测压盒朝下、朝上或向侧面放置，用测压盒锁紧螺钉紧固后，通过升降调节杆放入不同深度的地方，可以看到测压盒浸入液体愈深，压强计两支管液面的高度差也愈大，这表明液体的深度增加，压强也随之增大。如演示液体内部向任何方向都有压强；将测压盒向侧面方向锁紧后放入盛水杯内，可看到在同一深度里各个方向的压强相等。即把测压盒浸入液体后，锁紧升降调节杆在滑槽上的位置，可使测压盒保持在液体里一定的深度，然后转动盛水杯，使测压盒上的橡皮簿膜依次转向各个方向，可以看出压强计两支管面液体高度差不变，这说明液体内部各个方向都有压强，并且在同一深度内各方面压强都相等。注意橡胶管与测压盒和U型压强计连接处不能漏气。2. 指针式液体内部压强演示器制作图 7-1-19如图7-1-19所示，是我们利用饮料瓶，瓶盖，吸管，废气球，玻璃纤维板，易拉罐，铁丝等设计制作成的指针式液体压强演示器。通过指针偏转角的大小直接演示液体内部压强大小，不再使用U型压强计，整体性更好，使用更加方便。图 7-1-2011540转轴连杆孔153指针式液体内部压强演示器的盛水杯、测压盒、升降调节装置与U型压强计式液体内部压强演示器基本相同，不同之处是压强的表现方式，即U型压强计通过两管内液面高度差显示不同压强，而指针式压强计通过刻度盘上指针的偏转角度大小显示压强大小。下面介绍指针显示装置的制作方法。如图7-1-20所示，指针可用废易拉罐的中间部分铁皮或铝皮剪开，展平后画出指针形状用剪刀剪成。设计划线时注意尽可能使指针质心接近转轴，指针总长约155mm，指针尖距转动轴长度为115mm左右。为使指针转动时保持平稳可先在指针转轴位置钻一3mm的孔，用一枚M36mm左右的螺钉在其中心钻出1.2mm的左右通孔后用螺帽固定在指针上作为转动轴套。在指针另一侧距转动轴约15mm，距指针对称中心线偏上约3mm处也钻一1.2mm的孔作连杆连接孔。利用计算机绘制半径为115mm，可读角度为35度左右的刻度盘，由打印机打印后贴在厚1mm左右同等大小的塑料板或硬纸壳上再用螺钉固定在升降调节杆上端，用1.2mm的钻头在刻度盘圆心处垂直钻一小孔用一小段同样直径的废铜丝（铁丝或铁钉）插入其中作为转轴，将指针插进转轴即组成指针式显示板。图 7-1-21正视图侧视图（1）（2）（3）（4）（6）（5）升降调节杆用有机玻璃制作，其下端按图7-1-21所示方式制作，图中（1）是测压盒，用直径40mm，厚13mm左右的瓶盖、气球橡皮膜和吸管做成；（2）是转向杠杆，用直径0.9mm左右的废铁丝做成，其作用是将测压盒受到压强时弹性膜产生的横向凹陷的左右位移，转换成竖直方向连杆（3）的上下位移从而带动指针偏转。（4）是转向轴，用直径1.5mm的铁钉制作；（5）是转向装置和测压盒固定盒，用两块2020mm2，一块206mm2，厚度均为4mm左右的有机玻璃废料用二氯乙烷粘结而成；（6）是用饮料吸管做的测压盒排气管，通过测压盒底钻出的孔与测压盒粘结成一体。 将指针刻度盘、升降杆、测压盒、转向装置、连杆等和固定支架等装在一起即组成如图7-1-22所示的指针式液体内部压强演示器。为防止连杆在使用过程中发生摆动而不稳定，在连杆中间还设有一限位套如图7-1-22中所示。图 7-1-22限位套在装配时通过调节连杆的长短或角度，在测压盒弹性膜的支撑下使指针指向零刻度处。若将指针式压强演示器放在装有水的盛水杯上如图7-1-19照片所示，当调节升降杆使测压盒放入水中时，由于水的压强作用将使测压盒弹性膜产生凹陷形变，此时由于连杆的重力作用将使转向装置产生转动，从而带动指针也偏转一定的角度，偏转的角度将随测压盒弹性膜形变的增加而增加，即随压强的增加而增加，所以调节升降杆通过观察指针偏角的大小可知液体压强的大小。若固定升降杆的位置，转动水杯使测压盒对准水杯不同方向，可看见指针偏转角度不会变化，即测压盒在同一深度各处压强相同。注意事项：仪器每次使用后要将测压盒上的气球橡皮膜取下，时间长了以防橡皮膜变质将测压盒弄脏。 8浮沉子1）实验原理图7.27 浮沉子 根据物体在液体中的浮沉条件，物体的浮沉取决于物体所受重力与浮力的比较。如图7-1-27 所示，浮沉子可以浮在液体表面上，是因为此时它所受浮力大于重力。如果我们用手捏这个塑料的瓶子，液面上气体体积减小，压强增大。根据帕斯卡定律，这个增大的压强传递给液体，液体将压缩浮沉子内的空气柱，浮沉子排开液体的体积将减小。当浮沉子所受浮力小于重力时，浮沉子将下沉到液体中。如果我们使浮沉子所受浮力等于重力，浮沉子将悬浮在液体内。 而且浮力的方向始终垂直向上。 2）制作方法 材料：可密封的空饮料瓶一个、 废塑料笔杆一支、废铜丝或铁丝少许。 空饮料瓶必须有盖，并且盖严之后密封良好，不得漏气。先将废塑料笔杆尾端截取约长为3-5cm左右一段，将切割端面打磨平整后钻一小孔，用废铁丝或铜丝作配重以降低其重心，这样制成的浮沉子能在竖直方向自由运动。将饮料瓶灌满清水待用。另准备一只杯子，装半杯清水，然后把作为浮沉子配重端口向下放入杯中。如果浮沉子底露出水面太多，则增加配重；如果瓶子下沉，则减少配重，使浮沉子尾端露出水面12mm左右。这时将浮沉子浸没在饮料瓶的水中。 最后，将饮料瓶微微倾斜，倒出少量的水，把瓶盖拧紧。浮沉子就做成了。 3）实验方法 浮沉子平时浮在水面上。如果你用手捏瓶壁，稍加用力，浮沉子将下沉；如果你用力适当，浮沉子就会悬浮在水中。浮沉子做成之后，你可以随心所欲操纵浮沉子，要它上升就上升，要它下沉就下沉，要它悬浮就悬浮，非常有趣！ 注意事项：制作浮沉子时一定要注意使其重心在浮子下方，即当放入水中时，浮子能立在水中而不能倒伏，不然浮沉子不能成功演示。9 空气有重量和空气浮力的实验演示 如果要您估算一下您所处的房间里的空气有多重，您很可能会想那肯定是一个很小的数字。实际上，在0C、一个标准大气压下，lm3空气的重量为1.29kg，这样，一间 30m3的房间内空气的重量竟然有30kg多！而认识空气有重量是了解大气压产生原因的基础，有必要通过实验使学生确信。此外，由于我们每天生活在空气中，感受不到空气对我们所施的浮力，因此也有必要用实验来解决问题。然而，就一般实验来说，由于涉及的空气体积相对都很小，因此相应的空气重量和所产生的浮力也都很小，不容易测量出来。为了容易演示成功我们用一较大的塑料饮料瓶（1.6L）、自行车或摩托车气门嘴、废塑料笔杆等制作演示装置。制作方法：先在饮料瓶盖中心按气门嘴直径尺寸钻一大小合适的通孔，将连接气门嘴的橡皮按瓶口大尺寸小剪成圆形垫片，将瓶盖穿过气门嘴盖在瓶上旋紧即可，由于饮料瓶密闭性很好，实验过程中不会漏气。如果气门嘴上的橡皮已经坏掉，则利用紧固螺丝将其固紧在瓶盖上使它不漏气；用一节长25mm左右废笔杆和M3的螺杆将其制成可以套在气门嘴上的放气螺丝；实验前，另找一个气球和整个装置一起放在托盘天平或较灵敏的杆秤上称出未打气前的重量，然后用打气筒对瓶中打气，不必打气过多，一般用手压瓶子感觉较硬即可，将打过气的装置再拿回去称，就会发现其重量明显增大，说明空气确有重量。此时再在气门嘴上套上气球，隔着气球用手将气门嘴的放气螺丝旋松，使瓶中的高压气体通过气门嘴进入气球使之胀大，随着气球的胀大，整个装置的视重将明显减少，由于整个装置的真重未变，这就只能是空气浮力作用于气球的结果。用以上的装置演示空气有重量和空气浮力，简便易行且效果明显。(a)打气以前将两端配平衡(b)打气以后饮料瓶明显变重(c)将瓶内空气放入气球后由于所受浮力增大，因此饮料瓶方力矩减小向上移动图 7-1-28如果没有托盘天平我们也可以按图7-1-28所示的装置方式进行实验，图中（a）、（b）、(c)是实验装置的演示过程。图中用废塑料管或其它较轻的棒杆、废电池、废螺钉、废铁丝和支架等制作成如图7-1-28所示类似天平的装置代替托盘天平，经实验效果很好。注意事项：由于打入瓶中的空气质量仅有1-2克，制作天平杠杆时要注意转动灵活，另外实验过程中不能漏气。否则会造成演示失败。10 大气压的实验演示要演示大气压的存在并不难，生活中能说明大气压存在的现象也不胜枚举，但中学课堂里最经典的还是模拟马德堡半球实验。中学实验室一般用的是铁制的马德堡半球，但要做到使两半球密封良好不太容易，往往导致实验失败，而且要使用抽气机抽气，实验操作比较麻烦。根据中学教师们的反映，用现在的铁制马德堡半球作大气压强演示实验存在以下问题：（1）现有实验装置体积、质量都较大，拿到教室很不方便；（2）抽气机要用电才能工作，使用操作不方便；（3）铁制马德堡半球密封困难，容易漏气导致实验失败；（4）面积不能改变，不能说明压力与受力面积之间的关系。为了克服以上问题，我们新设计的可改变面积的新型大气压强演示器（国家知识产权局已受权实用新型专利，专利号201220086073.3）虽然具有结构简单、体积小、重量轻、携带方便、操作安全可靠、不用抽气机，且可改变面积演示说明压力与受力面积的关系，但由于测量所需拉力较大，作定量测试时仍不方便。为此，结合可变面积大气压强演示器的使用我们设计制作了一款可称量拉力大小的大气压强演示仪。1. 结构与组成图 7.1.29 称量式大气压强演示仪（5）（1）（2）（4）（3）仪器结构与组成如图7.1.29所示，主要由底座支撑架（1），可变面积大气压强演示器（2），称量器组件（3），挂钩（4），砝码盘及砝码（5）等组成。（1） 底座支撑架（尺寸单位：mm）如图7.1.29所示，底座支撑架主要由底座和支架两部分组成。其中底座长420、宽150、高40，主要用厚10的装饰塑料板和3030的角钢制作；为了能承受较大的拉力和压力，支架设计成“”型结构，其左右两侧支撑板尺寸：下宽80，上宽50，高260；上部承压板受力部分宽130，高60；底座及支架均用榫卯方式连接。（2）可变面积大气压强演示器如图7.1.30所示，主要由注射器、抽气嘴、拉环、碟状圆盘、抽气管、密封圈等组成。不含注射器时，装置尺寸为：直径100mm、厚约80mm，总重量小于200g。根据演示需要装置内可以分别放置中心直径为45mm、65mm及90mm三种截面积不同的密封胶圈。在盘上设有与胶圈尺寸适配的同心圆环及凸台、凹槽等，用以保证胶圈与圆盘及两圆盘之间的同心度。 抽气嘴的作用是在抽气后能自动封闭，使演示器内部保持一定的真空度。抽气管用于抽气时作为抽气嘴与注射器之间的过渡连接。图7.1.30 可变面积大气压强演示器碟状圆盘注射器抽气管密封圈抽气嘴拉环（3）称量器组件称量组件如图7.1.31所示，由秤杆、可调连接板等组成。其中，秤杆用外径12mm、壁厚2mm总长度420mm左右的钢管制作；为便图7.1.31称量器组件及砝码盘砝码盘调节螺钉秤杆秤钩可移动支点下连接板调节螺钉上连接板连接孔于计算和调节称量（杠杆）比例，每间隔10mm刻有刻线，另设置有可移动支点与连接孔。连接孔通过M4螺钉与可调连接板相连；可移动支点用高24mm、宽20mm、厚7mm的铝合金制作，在侧面有调节螺钉可改变移动支点与连接孔之间的距离以改变称量比例，在下面与支撑架顶部接触部分制作成三角形刀口形状，使秤杆可以灵活转动。另外在支撑架顶部设有黄铜板制作的搁板，板上设有一道基准线，可增大支架的承载能力、耐磨性和称量准确性。可调连接板由上、下连接板、调节螺钉、秤钩等组成。连接板用长65mm、宽25mm、厚7mm，左右的铝合金板制作。上连接板一端开有较深的“U”型槽，侧面钻孔以便与秤杆连接，另一端制作有长方形孔，以方便经过调节螺钉的伸缩使称量时秤杆保持水平，下连接板两端都开有“U”型槽，分别用于安装秤钩和调节螺钉。（4）挂钩图7.1.32 挂钩连接图挂钩1大气压强演示器底座支架挂钩2如图7.1.32所示，挂钩有两个，挂钩1距支撑架顶部黄铜板搁板基准线距离40mm，挂钩1、2相距40mm；均用长50mm、宽20mm、厚7mm的铝合金制作。其下端通过5mm的螺钉与固定在底座上的角铝相连，以便承载分开大气压强演示器时所需的拉力。（5）砝码盘及砝码砝码盘如图7.1.31所示，用厚5mm工程塑料和直径3mm的铁丝制作；砝码如图7.1.29所示，为铸铁砝码每块质量1千克。2实验方法当在两圆盘之间放上密封胶圈后，圆盘和胶圈即组成一个封闭空间，由于此空间很小所以只要用注射器通过抽气管就可很方便地抽取其中的空气，空气被抽出后封闭空间将形成一定的真空度，当取下注射器后大气压通过单向阀可自动阻断空气的回流，使被抽空间保持一定的真空度，演示器两圆盘由于受到大气压强的作用而受到一定的压力，其受力大小与受力面积成正比。若将具有一定真空度的大气压强演示器，通过底座支撑架、挂钩、秤量器组件、砝码等组成如图7.1.29所示的测量装置，通过测量分开演示器所需的拉力，则可称量出演示器受到的大气压力。经计算可知直径为45mm的密封橡胶圈，其面积S约1.5910-3m2； 65mm的S约3.3210-3m2；90 mm的S约6.5010-3m2，近似成1:2:4的关系。根据F=PS（或P=F/S），当演示装置内外之间的压强差为1个标准大气压即，101325Pa (N/m2）时，若用标称直径为45mm的密封橡胶圈，此时演示装置表面受到的总压力将有160N左右；若用65mm的胶圈装置表面受到的压力将有330N左右；若用90mm的胶圈装置表面受到的压力将有650N左右。根据我们的实验测试，当放置45mm胶圈时，如果用注射器抽取圆盘内的空气，若抽气时稍加用力，则抽气后可以承受80N（8kg）以上的拉力；保持同样的抽气力度 当放置65mm胶圈时可以承受160N（16kg）以上的拉力；当放置90mm胶圈时可以承受320N（32kg）以上的拉力。所以用注射器抽取半球内的空气时，可以使盘内外压强差达0.5个大气压左右，因此通过用注射器抽取装置内的空气形成局部真空后，很容易分别承受8 kg、16 kg、32 kg以上的拉力。由此不但可演示大气压强的作用，通过采用面积不同的密封胶圈，演示装置所能承受不同的拉力实验，还可以说明压力与受力面积的关系。注意事项：抽气前先检查抽气嘴是否密闭良好、是否漏气，若漏气可用少许密封脂涂抹抽气嘴密封螺钉胶圈处。11滑动摩擦与滚动摩擦演示在我们讲到滑动摩擦时,教科书上是以图12-1所示弹簧秤通过拉着木块在水平桌面上作匀速直线运动来演示摩擦力大小的。在讲到滚动摩擦时是用图12-2所示的装置来演示和测量摩擦力大小的。利用上述装置演示和测量摩擦力显然效果不会太好，原因是弹簧秤刻度和读数均很小，老师在讲台上演示时学生不容易看清楚力的变化和大小，同时用手拉的方法操作起来也有难度。为了改变这一状况，我们利用PVC板、圆木条、旧布条、废锯条等设计制作的摩擦力演示仪，既可以通过观察测量滑动摩擦力、滚动摩擦力图 12-1 滑动摩擦力测量图 12-2 滚动摩擦演示的大小，研究其与正压力、不同表面（或粗糙程度）以及表面积大小的关系，又可以直观地判定出发生在两个具有相对运动趋势而又相对静止物体之间的静摩擦力以及静摩擦力的方向与相对运动趋势的关系。还可以演示最大静摩擦力，探究静摩擦力和滑动摩擦力之间的关系，是一种结构简单、演示直观、操作方便的新型滑动摩擦力演示仪。1. 结构与组成 如图12-3所示，摩擦力演示仪主要由支架、运动组件、测量组件A、测量组件B等构成。 其中，支架由底座1、调节螺钉2