道里区-36中-姚志恒-测定速度实验装置制作

1 测定速度实验装置制作测定速度实验装置制作 道里区第道里区第 36 中中 姚志恒姚志恒 第一部分 实验装置剖析第一部分 实验装置剖析 依据 2011 年新课程标准重新改版 由教育科学出版社出版的 初中物理八年级上册 在第二章运动与能量中第三节测量物体运动的速度 创新的引入实验探究 气泡的速度 以 下简称气泡实验 教材中实验装置要求为 长约 80cm 内径 10mm 的均匀玻璃管 管内注满 水 留一个小气泡 两端密封 操作要求为 和你的同学合作 倒转玻璃管 保持竖直 观 察气泡在管内的运动 从某一位置开始用停表计时 每 2s 在玻璃管上用记号笔记录小气泡的 位置 最后用米尺测量 将实验数据填入以下表格中 出自教材 27 页 对气泡实验分析如下 气泡上升时形状如图 对气泡实验分析如下 气泡上升时形状如图 首先 气泡实验中主要设计到的知识有 浮力 平衡力 摩擦力 压强 液体 黏滞力等 其次 气泡速度影响因素 气泡的上升速度 取决于玻璃管的内径 内径越大 速度越快 气泡体积大 小 气泡体积越小 速度越快 若气泡直径小于管内径 则气泡运动为曲线运动 装置倾斜 角度 与水平方向夹角从 45 90 度增加过程中 气泡速度越慢 承装液体和容器材料 这 点在后边详细说明 最后 原实验装置的不足 原实验装置为两端封闭的玻璃管 内留有一个小气泡 所以 实验操作中由于浮力作用 必须倒置玻璃管后才能观察到气泡的运动过程 另外 小气泡的体积教材中并未提及 具体 多大没有明确说明 玻璃管内承装的液体为水 综合以上三点 导致原实验装置弊端较多 第一 由于玻璃管内所装液体为水 装置长度为 80cm 倒置后气泡运动总时间小于 6s 除去从倒置开始到记时起点时气泡的运动等因素 实际记录时间小于 5s 甚至低于 4s 导致 实验测量时间过段 无法收集足够的数据 测量误差较大 第二 装置倒置后要求竖直放置才开始记时 对学生操作要求极高 初学物理的学生 动手能力才刚开始培养 很难达到要求 只能在教师一步步指导下 经过反复训练才能顺利 完成此操作 2 第三 装置倒置过程 实验装置将会以 40cm 半径做半圆周运动 又因装置为玻璃管 玻 璃的最大缺点易碎 实验过程极易发生危险 第四 装置倒置后 要求竖直放置 实验室没有与只配套的旋转倒置装置 若用铁架台 用试管夹 固定时间较长 若采用学生手持方式 玻璃管很难稳定保持竖直 气泡速度会随 倾斜程度发生变化 第五 实验装置的气泡大小 气泡体积教材没有做出明确说明 与原实验装置和操作要 求相匹配的气泡体积较难符合测量要求 体积过大 速度变慢 但是测量距离受较大影响 体积过小速度过快 测量时间又过短 第二部分 实验装置设计与测试过程 第二部分 实验装置设计与测试过程 依据对原实验装置的不足分析 确定实验装置改进方向 在设计和测试过程 主要从研 究对象 液体 管壁材料 操作方式四方面进行研究 下面 简述设计过程和测试结果 第一 针对研究对象的改进和测试过程 第一 针对研究对象的改进和测试过程 为测试各种研究对象在液体中的运动过程 寻找符合实验要求的研究对象以代替气泡 在测试过程中 选取一根长 1m 内径为 25mm 的石英玻璃管 然后分别制作了 eps 泡沫小球 直径小于 25mm 测试直径为 3mm 10mm 15mm 三种 eps 泡沫圆柱体 高度 15mm 直径 24mm eps 泡沫圆台 高度 15mm 直径 24mm 20mm 通过实际测试 发现这些物体在运动 过程中由于水流等原因 导致物体做向上的振动式运动 整体速度显匀速 但是局部振动 易导致学生判断为曲线运动 由此推知 气泡由于属于气体易于形变 在玻璃管内不易被观察到这种形变 所以是做由此推知 气泡由于属于气体易于形变 在玻璃管内不易被观察到这种形变 所以是做 为研究对象的最好物体 为研究对象的最好物体 第二 针对液体和管壁材料的改进和测试过程 第二 针对液体和管壁材料的改进和测试过程 通过直径 25mm 长 1m 的石英玻璃管实验 发现气泡上升速度太快 所用时间仅为 6 7s 所以 思考可以使用黏滞系数较大的液体 增强液体黏滞力 从而降低气泡速度 由 此思路联想到洗涤剂和煤油 煤油为实验室必备 但是无法调节粘稠度 所以最终确定为使 用洗涤剂 通过选用不同粗细玻璃管 内径为 5mm 7mm 进行了多次测量 并对洗涤剂与水的体积 比例进行了多次测试 分别测试了 5 1 5 2 5 3 4 1 3 1 3 2 1 1 的比例 最 终得出 玻璃管在 5 7mm 内径时 洗涤剂与水的体积比小于或等于 3 2 时 气泡速度随比 3 例的增加 速度明显降低 可增加测量时间约 5s 管长 1m 时 当比例大于 3 2 时 气泡 速度不在明显降低 但是 当选用亚克力管 长度 1m 内径为 5mm 6mm 8mm 进行 实验时 发现测试结果正好相反 若使用洗涤剂和水混合物进行实验 气泡上升所用总时间约为 10s 而改用纯水实验时 时间增加至 15s 但是 由于是纯水受液体表面张力影响对后期测试造成了一定困难 为了 减少液体表面张力的影响 使水顺利流出 测试中发现在纯水中添加少量洗涤剂可明 显增强水的溢出 思考其原因 洗涤剂为大分子物质 加入水后 降低了液体表面张力 所 以采用了水和洗涤按大比例混合的最终方案 如右图 比例约为 100 1 搅拌过程只产生少 量气泡 为了增强可视性 在液体中追加红钢笔水 通过测试发现颜色越深 气泡与液体色差越 小 这是因为液体要经过气泡与管壁的缝隙下流 所以 配置色彩时 液体颜色选择浅红色 由于亚克力管与玻璃管相比较 更易于加工 且不易碎 市场各种规格型材较多 相对 价格要比玻璃管价格更为便宜 且亚克力管管壁较厚 可起到放大镜的效果 使实验现象更 易于观察 最后基于以上结果 选定为亚克力管配备水 水和洗涤剂按最后基于以上结果 选定为亚克力管配备水 水和洗涤剂按 100100 1 1 比例混合 加红钢笔比例混合 加红钢笔 水至浅红 水至浅红 第三 针对操作方式的改进和结构测试 第三 针对操作方式的改进和结构测试 原实验装置由于操作过程中需倒置 而使实验产生多种弊端 为了避免 实验装置倒置 所以采用生成气泡方法解决此问题 生成气泡的原理 利用液体重力来克服大气压力和液体表面张力作用 使封闭管内水溢 出 空气进入从而形成气泡 为了顺利形成气泡 管的内径不能过小 否则将倒置液体无法 溢出 实际测试发现当内径大于 7 3mm 时 即可成功形成气泡 若内径为 6mm 则一定几率 形成气泡 采用生成气泡方式由此带来的问题是实验过程中水柱高度的降低 所以装置需要注水后 继续实验 为解决这一问题 分别测试采用螺纹加盖方式和橡胶塞 球阀密封的方式进行测 试 下图为采用螺纹加盖的方式制作的实验装置 由于制作成本较高 工艺复杂 操作不便 4 原因 最终没有采用此方案 图 1 管顶 外丝 图 2 帽顶视图 内丝 图 3 帽侧视图 图 4 管与帽组合 橡胶塞方案 由于没有找到合适胶塞 且通过论证密闭性能较差 所以没有测试 下图为采用球阀密封方式 图 1图 2 图 3 图 4图 5图 6 图 7 图 1 为 2 分 8 内丝一端插管球阀 图 2 为 2 分 8 外丝一端插管球阀 图 3 为 2 分 10 外丝一端插管球阀 图 4 为 4 分对丝 图 5 为 4 分双内丝球阀 图 6 为 2 分球阀与 管组装图 为学生分组实验装置 图 7 为 4 分球阀加内丝与管组装图 为演示实验装置 球阀密封方式的测试 首先购买了如图 1 2 3 5 的几种球阀 然后通过测量再购买了 相应的亚克力管 进行密封测试 由于考虑美观性 2 分球阀最终确定为 2 分 8 外丝一端 插管球阀 测试过程中 主要遇到的困难是由于亚克力管多为挤出管 内径误差较大 且很难购买 到同一规格数量较多的管 所以实际买回的管的内径从 6mm 9mm 不等 较细的管通过电转扩 孔后使用 较粗管只能用胶密封 球阀安装过程中 多采用挤压方式安装 前期由于考虑挤 压越紧密封越好 管的内径多修改为 8mm 比球阀插管一端外径小 0 5mm 使用过程中发现时 间一长 导致管壁破裂 所以后期降低了管内径与球阀插管一端外径差 由于球阀也存在公 差 所以挑选合适安装 管的内径较大的管 采用 AB 胶进行封装测试 AB 胶封装由于胶体 风干后体积膨胀 倒置管出现裂痕 但是由于胶体作用并未出现漏水现象 后期则降低了胶 的使用量 以减小裂痕的出现 通过测试 最终采用的方案为 学生分组装置采用通过测试 最终采用的方案为 学生分组装置采用 2 2 分 分 8 8 外丝一端插管球阀和外径外丝一端插管球阀和外径 5 15mm15mm 内径 内径 8mm8mm 的亚克力管 演示实验装置采用的亚克力管 演示实验装置采用 4 4 分双内丝球阀和分双内丝球阀和 4 4 分对丝与外径分对丝与外径 25mm25mm 内 内 径径 20mm20mm 亚克力管 亚克力管 第四 刻度尺的设计与测试 第四 刻度尺的设计与测试 实验过程中需测量气泡运动距离 为减少学生操作困难 所以在管外壁增加刻线 以方 便学生读数 为此设计了两种不同材质的制作的刻线 每种刻线均设计为量程为 1m 实际使 用不足 1m 分度值为 1cm 便于得出结论 刻线宽度分为三种对应每 10cm 每 5cm 和每 1cm 便于学生读数 一种为白底黑字不干胶刻线 这种刻线的好处是成本为透明刻线的三十分之一 白底可 衬托气泡使气泡更易于观察 缺点是降低了实验观察的可视范围 另一种为透明底黑字不干胶刻线 这种刻线好处是由于透明 学生在观察气泡和标记时 更更加方便 缺点是制作数量较少时成本太高 大批量生成才可降低成本价格 50 至少 通过学生的实际操作和使用 最终确定使用透明底黑字不干胶刻线 通过学生的实际操作和使用 最终确定使用透明底黑字不干胶刻线 图 1 图 2 图 3 图 4 图 5 图 6 图 1 为白底黑色字不干胶刻度尺 图 2 为图 1 粘贴后正面效果图 图 3 为图 1 粘贴后 背面效果图 图 4 为透明底黑色字不干胶刻度尺 图 5 为图 4 粘贴后正面效果图 图 6 为图 4 粘贴后背面效果图 第三部分 实验装置加工第三部分 实验装置加工 部分加工方法前边已经简述在这里就不再介绍 下面 主要介绍球阀的处理方法 由于所购买的球阀为 2 分 8 内丝一端插管球阀 实际可流水内径为 6mm 实验中无法 生成气泡 解决的具体办法为 先用 6 5mm 钻头 由插管一端钻通整个球阀 以进行扩径 6 再用 7 2mm 转头由内丝一端钻入长 5cm 使球阀球体上端大约留出长 1cm 的空间 这样即可 解决生成气泡问题 第四部分 实验数据收集第四部分 实验数据收集 相同路程测时间 相同时间测路程 时间 s路程 cm速度 cm s时间 s路程 cm速度 cm s 4153 75263 8303 75412 53 1 12453 75620 53 4 827 53 4 相同路程测时间 相同时间测路程 时间 s路程 cm速度 cm s时间 s路程 cm速度 cm s 2 1157 12105 2 1157 14205 2 0157 56376 2 2 1157 18435 4 通过实际测量发现 利用相同路程测量时间的方法 测量误差更小 路程间隔不小于通过实际测量发现 利用相同路程测量时间的方法 测量误差更小 路程间隔不小于 15cm 为宜 为宜 第五部分 成本核算第五部分 成本核算 以下为演示实验装