书城科普读物动手做实验丛书--物理实验器材巧用
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第7章 材料、仪器的巧用、妙用(4)

用鸡蛋代替一般实验所用的钢球,蛋又放得那么高,瓶口又较小,使实验大有惊险之状,从而能深深吸引住学生,他们生怕鸡蛋会摔下打破,看得目不转睛。然而,学生的担心大可不必,只要操作者不麻痹大意,实验的成功率是很高的。因为决定此实验成功与否,并不主要决定瓶口是大了些,还是小了些,更不决定鸡蛋放的高低,重要的是,瓶要放得稳,蛋要放得稳,且正对瓶口。可乐瓶底座较大,瓶中又装了水,故瓶放得是够稳的。从瓶身剪取的薄片,自然是透明的,还成浅凹槽形,透明则易确保让蛋对准瓶口,凹槽则恰能使椭圆形的鸡蛋不易滚动,实践也证实了用这薄片要比用平纸板、木板好些。当然,你还可以改用熟鸡蛋,即使发生万一的操作失误,鸡蛋仍能食用,以免浪费。

最简单的打气筒

我们把去掉底座后的瓶体分为瓶头、瓶颈、瓶身、瓶底四部分,如图2所示。

取一瓶,在其底部钻一直径约2mm的出气孔,磨平滑小孔附近。再另取一瓶,将瓶头上的螺栓锉掉,以近瓶头端约1cm处将瓶颈切割断,取用如图2中B所示的部分。从破球胆或自行车破内胎上剪取如图2中C、D所示形状和大小的橡胶片各一片,在C片两端画有斜线的地方涂一层“502瞬间胶”(以下简称“胶水”),立即让其中部(没上胶水)对准出气孔,把C片粘贴在A上。再把B的切割端粘贴到A的底部(B罩着C)。E是A瓶口的密封橡胶塞,它上面打有直径2-3mm的进气孔。在D片上画有斜线的地方涂上胶水,立即让其没上胶水的部分正对E上要塞入瓶的那端孔眼,把D片粘贴在E上。把E紧塞住A瓶口。这样,最简单的打气筒就制成了。

将一气球的口子套在B口上,用手挤压A的瓶身、瓶内气体体积缩小,压强增大,于是进气孔关闭,被压缩的气体通过出气孔,从C边缘挤入气球中;当手松开后,瓶身自动恢复原形状,瓶内气体体积增大,压强减小,出气孔关闭,外界大气通过进气孔,挤开D门进入瓶中,如此反复操作几次,气球便能鼓起很大。

由于A与B均是透明的,E又可拔出,故整个装置的构造能一目了然,这无疑对教学十分有利和方便。

研究斜抛物体运动的射水装置

整个装置如图3所示。它的瓶体部分与最简单的打气筒相似,也是取用一瓶的头、颈部分,将其粘贴到另一瓶的底部上,只是它的底部开的孔有瓶口大。上密封胶塞孔中插有一根25cm左右长的玻璃管,下密封胶塞孔管上接有小手指粗的软胶管,软管尾端装有射水头C。为方便勾挂射水头,在瓶的上头部和射水头上分别装有金属小勾D和小圈环E。

该装置能保持水流初速度不变。瓶的上口用塞子封后,只有玻璃管A与外界相通,在瓶中水面下降到A的下口之前,水中BB′平面的压强始终等于外界大气压强,当射水头上的射水嘴与BB′的高度差保持恒定时,射水嘴就以恒压射出初速度恒定的水流。

虹吸管杯

据说我国古代曾造有一种酒杯,当斟酒将满时,杯中酒便能自行从杯底流出,流到放杯的器皿中去。经过揣摩这种杯的构造原理,认为它是利用虹吸管现象巧制而成的。于是动手设计并制作了如图4所示外型的虹吸管杯。杯身是用瓶的整个圆台形颈部连带瓶头做的。在瓶头与瓶颈交接处烙两个约3mm口径的孔,两孔间距约1cm。把两根废圆珠笔芯管(要内无墨油的,去掉筒笔头)插入两孔中,其中一根插入约1cm深即可,另一根要插入4-5cm深,并使插入的管向杯下方弯曲,用胶水把孔与管的交接口进行密封。从瓶身部横向剪取2cm宽、15cm长的两条作为做杯把的材料,先用一条做把的内侧边,它的下端既挨靠着笔芯管,又挨靠着瓶头,用胶水把三者粘连起来,它的上端贴在杯下2-3cm的地方,为牢固起见,可在这粘贴处上再增粘一条横压条。剪一段长约10cm的自行车气门胶管,其两端各套到一笔芯管上,保持两笔芯管间距离不变,把笔芯管、胶管都粘贴在内侧边上,然后紧挨着笔芯管和胶管(注意不要挤压胶管),粘贴好杯把外侧边。这样,由两根笔芯管和一段胶管所组成的一条连通管,就成了固定在杯把中的虹吸管了。再使用一段切去了瓶头的35cm长的瓶颈做杯的底座,把它切去瓶头时所留下的圆洞小心地修割大些,让它正好套在瓶盖上,然后用胶水将两者粘牢。在瓶盖中央钻一正好能插入笔芯管大小的孔,让杯身下伸出的笔芯管穿过这孔,把瓶盖拧紧在瓶口上,最后的瓶盖孔与笔芯管的连接口涂上胶水,进行密封。这样,一支外表如同普通杯子的虹吸管杯就诞生了。将水倒入杯中,当杯中水面刚高出装在杯把内的虹吸管的最高点时,水便自动从杯底徐徐流出,直至全部流尽。

向学生讲叙我国已失传的古杯,理解其原理,不仅把爱国主义教育与知识的传授有机结合了,而且起了弘扬民族文化之作用。

巧用可乐瓶做物理实验(二)

广西柳州柳铁二中肖毅老师介绍了二则:

“帕斯卡裂桶”的模拟演示装置该装置的构造如图1所示,在一瓶的底部中央,底部边缘和瓶身中部各打一个直径约15cm的孔,另取两个带有约1cm长瓶颈的瓶头,把它们分别罩住底部的两孔,在瓶头与瓶底交接的缝线上涂上胶水(胶水能自行渗入缝隙),将它们密封粘贴牢固。再取一个稍留有些瓶颈的瓶头,在它相对的瓶颈边沿上,锉出一圆弧凹槽,使这糟恰好能紧贴瓶身圆弧凸面,然后将它罩住瓶身上的孔,用胶水把两者密封粘贴牢固。这样就做成了一个有四个瓶口的瓶子。取三块稍大的橡胶薄膜(可用吹大过的气球膜做)分别蒙住侧上、侧中和下部三个瓶口,并用细线将所蒙橡胶薄膜四周紧箍在瓶头上。蒙膜时注意不要绷紧膜,而只需使它平铺在瓶口上即可。取两个瓶盖(内有密封橡胶垫),在它①挂瓶带②漏斗瓶③铁支架④四口瓶⑤上瓶头⑥上侧瓶头⑦中侧瓶头⑧下瓶头⑨接水盆们的中央各钻一个直径07mm的圆孔。取自行车烂内胎上气门芯的铜座管两个,按图2所示将它们分别与瓶盖套接好,然后锉掉两铜座管面上的螺纹。用一根内径为5mm、长1m的乳胶管(它略有透明性),分别把它两头各套接在一个锉掉了螺纹的铜座管上。另取一个瓶,将其底部剪成图1左边瓶所示的口子,使两口子间留有一条挂瓶带,它将作为一个大漏斗使用。

演示时,先将水从四口瓶的上瓶口倒入瓶中至满,这时,可看到蒙在下部瓶口的橡胶薄膜向外凸起最高,中侧的次之,上侧的仅略有凸起。将两头均套有铜座管的乳胶管内灌满水(为观察显眼先使水着红色)。用只夹子夹堵死乳胶管,这样,由于大气压的作用,夹子两边乳胶管中的水都不会流出。然后把乳胶管两头的瓶盖分别拧紧在四口瓶的上瓶口和漏斗瓶口上,使漏斗瓶略高于四口瓶的上瓶口,向漏斗瓶中灌满着了红色的水,松开乳胶管上面的夹子,逐渐提高漏汁瓶的位置,这时可以看到各瓶口上蒙的橡胶薄膜都会越来越凸起,当漏斗瓶提高到某一竖直高度时,突然下部瓶口的橡胶薄膜破裂;瓶中水唰地流到下面的接水盆里。

换用密度较大的溶液(如饱和的硫酸铜溶液)重复上面的实验步骤,可看到下部瓶口橡胶薄膜破裂时,漏斗瓶中水面的竖直高度要比用水演示时低一些。

分析上面的实验现象,可以说明:(1)流体内部存在着向各个方向传递的压强。(2)流体内部的压强大小与水的总重量和体积无关,只决定于液体的深度,越深的地方液体的压强越大。

(3)在同一深度时,密度大的液体产生的压强大于密度小的液体产生的压强。

压力水瓶

图3所示是纵向剖面的自制压力水瓶。它的整体可分为压气装置、盛水瓶和出水管三部分。

压气装置由图中所标数字1至6的部件组成,“1”是一个可乐瓶的瓶盖(用同样大小的电木盖做更好,因为电木盖的硬度大),去掉瓶盖内的密封橡胶垫,在中央处钻一个直径约2-3mm的入气孔。“2”是从自行车烂胎上剪取的一小块成“□”形的橡胶片,在其方角端涂上胶水,把它粘贴到瓶盖的内面上,粘贴时要注意使没有上胶水的部分能封住入气孔。“3”是一截约12cm长的自行车内胎管。“4”是可乐瓶盖(用同样大小的电木盖做更好),在该盖中央钻一个恰能让“6”(管子)插入的孔眼。“5”是为加固稳定“6”而增添的硬垫板,此板宜稍厚些,如取05cm厚的塑料板,在它的中央亦要钻一恰能让“6”穿过的孔眼。“6”是一根长约30cm,外径05cm的塑料管(玻璃管亦可),让该管的一端从“4”(瓶盖)下面向上穿过盖孔,再穿过硬垫板孔眼,在瓶盖与硬垫板间涂些胶水,将两者粘贴紧,又用胶水把管与孔的交接口密封,而后在瓶盖内加上一个密封橡胶垫圈。把“3”(车胎管)的两端分别套到“1”、“4”两瓶盖上,由于瓶盖的圆外径要比车胎管径稍大,套上后两者结合较紧,但为保证良好的密封,仍要在它们之间用胶水粘贴。“7”是盛水瓶体。“8”是与“6”同样规格的塑料管子。在“7”的瓶头与瓶颈交接位置钻一个恰能插入“8”(管子)的圆孔,将“8”的一端插入瓶内至瓶底附近,“8”的另一头留在瓶外,是约7cm长的一段。“9”是从另一瓶体上剪取的一条长约10cm、宽约2cm的条幅,先把它的两端垒叠,再用胶水粘贴离中部约2cm远的地方,使该条幅中心区围出一个“∞”孔,然后在离两端各约3厘米的地方向外折成90°角,把两端边贴在瓶壁上开的出水管孔下方约1cm的地方,最后将瓶外的一段出水管穿过“∞”孔,使出水嘴偏朝下方。

然后在离两端各约3cm的地方向外折成90°角,把两端边贴在瓶壁上开的出水管孔下方内1cm的地方,最后将瓶外的一段出水管穿过“∞”孔到此,整个装置制作告终。

使用时,先从瓶口装入水,然后将“6”(管子)插入瓶中,把“4”(瓶盖)拧紧于瓶口上。用一只手握压“3”(车胎管)时,管内气体体积缩小,压强增大,于是入气孔“1”关闭,压缩的气体通过“6”(管子)和瓶内的水,进入瓶内上部的密封空间,它又使这部分气体压强增大,大于外界的大气压,于是瓶内的一部分水在这增大了的气体压力作用下,要沿出水管流出。随着这部分水的流出,瓶内气体体积增大,压强减小,它又会重新达到与外界大气压平衡,这时水便停止外流。当握压“3”(车胎管)的手放松后,管壁恢复原状,管内气体体积增大,压强减小,低于外界大气压,于是,外界气体从入气孔进入密封的车胎管中。重复以上操作,瓶内的水便能一次又一次地被挤压出来。

用暖水瓶铝盖做物理实验

匀速运动的演示

(1)器材平面玻璃板一块,盛开水的暖水瓶一个,口部光滑、平整的暖水瓶铝盖一个。

(2)实验将玻璃板擦干净,水平地放在桌面上。倒上开水,玻璃板上形成一层水膜,立即将铝盖口朝下放在玻璃板的水膜上。将玻璃板的一侧适当垫起,就可看到铝盖在水膜上像蜗牛般缓慢地匀速运动起来。

(3)原理铝盖口朝下扣在水膜上后,由于重力作用,铝盖口与玻璃面接触,不会运动。片刻后,热水(玻璃也被加热)使铝盖中的凉空气受热膨胀,铝盖被空气托起,离开玻璃表面,由于水层的阻力很小,所以玻璃板的一边略微抬起后,铝盖就在平衡力的作用下匀速运动起来。

大气压力的演示

实验在平面玻璃板上倒上凉水,形成一层水膜,然后将铝盖盛满开水,待铝盖受热均匀后,倒掉热水,将铝盖倒扣在玻璃板的水膜上,片刻后,铝盖就吸紧在平面玻璃板上。

原理受热的铝盖扣在凉水膜上后,里面的空气收缩,由于水膜又阻挡了内外空气的交流,外界大气压力大于作用在铝盖上的内部压力,所以,铝盖就吸紧在玻璃板上了。

用打火机做有趣的物理实验

近年来,市场上出现了一种丁烷(C4H10)液化气打火机,打火可靠,使用方便,价廉物美,到处都可以买到,利用这种打火机可以做一些有趣的物理实验。

液体汽化吸热实验取一个新打火机,去掉打火机头(包括防风罩、打火轮、打火轮架、火石、弹簧等),用尖嘴钳把喷气嘴固定螺丝拧松,液体丁烷急剧汽化,大量丁烷气体就从喷气嘴中喷出,由于汽化吸热,打火机的温度很快下降,当温度下降到露点时,空气中的水蒸气液化,并附着在打火机壳上,使透明打火机壳蒙上一层露,变得不透明了。温度继续下降,降到冰点时,附着在打火机外壳上的露就结成了冰,如果用手触摸打火机外壳,会感觉到很冷,生动的事实证明了液体汽化时要吸收热量。

打火机的反冲运动

取一块8×5×3cm3的聚苯乙烯泡沫塑料,做成一只小船,在小船上表面挖一个与打火机等大的槽。取一个打火机,去掉打火机头,把打火机装在小船的槽中,拧松放气螺丝,在气体喷射出来时,把整个装置放在池水面上,就成了一只反冲小船,小船徐徐向前运动,惹人生趣。

热气球升空实验

取一个塑料薄膜袋(要求薄而轻不漏气),容积约5分米3,把塑料袋倒转来,开口在下,用细线系好(如图所示),即可作为“热气球”。

取一个打火机,打火点燃,把火焰调大,使火焰长达10cm左右,放在“热气球”的下方,让燃烧产生的热气充入“热气球”,“热气球”就会鼓起来,待“热气球”充满热气后,释放“热气球”,“热气球”就会冉冉上升,十分有趣。

“热气球”之所以能升空,是气球受到两个力的作用,即重力和空气对它的浮力,由于热气的密度比空气密度小,热气球的总重力比空气对它的浮力小,使得气球产生向上的加速度,所以热气球能腾空飞起。

这个实验可以放在课堂的讲台上演示,手拿住线的下端不放,不时给气球充入一点热气,气球就会久久不落,激起学生的兴趣。

橡皮泥在物理实验中的应用

橡皮泥具有很好的临时粘着性能、较好的密封性能和绝缘性,价格低廉,可反复使用,故可在实验中广泛使用。列举如下:

(1)演示电荷的相互作用,装置如图1。过去的静电起电实验,多采用玻璃和电木棒,效果不如采用塑料。一般要产生正电,用人造纤维织物摩擦醋酸纤维、有机玻璃或ABS塑料(丙烯腈丁二烯苯乙烯);要产生负电,可摩擦聚氯乙烯、聚乙烯或聚丙烯等(注意,塑料棒不可和试管底的橡皮泥紧密粘合,以便于取放)。

(2)演示体积不变而形状变化时物体所受的浮力不变。在浮力定律实验器或一弹簧秤下方用细线吊一块适当大小的橡皮泥,浸入水中。几次改变橡皮泥的形状,后再浸入水中称,可观察到弹簧秤的读数不变。

(3)需要抽真空或使容器与外界隔离的各种实验中,常可用橡皮泥代替真空封蜡或凡士林。