用笔芯来制作两种测量工具

宋艺华

摘要：实验是中学物理教学的基本方法，开发和利用低成本实验是物理教师必备的能力。本文介绍了利用笔芯设计制作两种物理测量工具的原理、方法及在物理教学中的应用。

关键词：笔芯；温度计；密度计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2009)6(S)-0053-2

《物理课程标准》倡导利用日常器具做实验，它不但具有简便、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。其实，我们可以利用身边的物品做许多物理实验，只要我们细心挖掘、精心设计，就能够设计出更多低成本、高智慧的物理小实验。

笔芯是现代社会中人们常用的文化用品，笔芯用完了，留之无用、弃之可惜。用完了的笔芯一端封闭、中空均匀、笔杆透明，且有的笔杆上标有刻度，生活中随手可得。根据笔芯的这些特点，笔者介绍两种利用笔芯设计物理测量工具的方法。

1 用笔芯制作气体温度计

1．1 材料

笔芯（圆珠笔芯、中性笔芯）、水、高锰酸钾（墨水或浓茶水）

1．2 制作方法

找一个用完的笔芯，清除笔芯内的废油，在笔杆的开口端置入部分高锰酸钾水溶液（墨水或浓茶水）。常用方法有三种：一是用加热法，即把一个用完的笔芯浸在沸水中约2min，加热至笔杆内气体温度与沸水温度相同，取出后迅速把开口端插入高锰酸钾水溶液中（常温），笔芯内的密闭气体降温后，气压减小，高锰酸钾水溶液就被压入笔杆内，待高锰酸钾水溶液进入笔杆内稳定后取出，笔芯温度计的工作介质是笔杆内被密闭的气体。二是注入法，即用注射器吸入部分高锰酸钾水溶液，从开口端注入笔杆内。三是连通器法，即把笔杆一端的笔尖拔出，将笔杆的另一端部分浸入高锰酸钾水溶液中，再将笔尖插入笔杆，取出即可。

将笔芯分别置于冰水混合物中，稳定后笔杆中液面所对的位置就对应的是0℃，想办法把它标记在笔杆的一侧（如果笔杆上有刻度，就记住液面所对的刻度），如图1所示。

标记其它温度值的方法有两种：一种方法是把笔芯温度计放入不同温度的水中，如：20℃、30℃、50℃……用实验室的温度计对照，在相应位置标记下来，这样不同的气柱长度就对应着不同的温度，下表给出一组参考数据：

气柱长度/cm7.327.868.6610

温度/℃冰水混合物0室温2050沸水100

另一种方法是根据盖•吕萨克定律确定：

当t0=0℃时，T0=(t0+273.15)K，气柱长度为l0，体积V0=Sl0，其中S为笔杆内径截面积；当t≠0℃，T=(t+273.15)K，气柱长度为l，体积为V=Sl。

则由V璽V0=TT0可得：

l璽=l0(1+t/273.15)，（1）

t=273.15(l璽/l0-1)。（2）

由（1）式可知，当l0已知时，我们可以推算出任意温度t下的气柱长度l。例如：当t=50℃时，l=8.66cm。这样分别计算出各个温度下所对应的气柱长度，用刻度尺就可以为笔芯温度计标上刻度。

由（2）式可知，当l0已知时，可以推算出任意气柱长度l所对应的温度t，如：在某一温度下，用刻度尺测出气柱的长度为l=8.66cm，那么，依据（2）式可以计算出该温度t=50℃。

另外，笔芯温度计上的刻度应该是均匀的，请读者阐明其中的道理。

1．3 教学运用

学完温度计后，可以让学生自制笔芯气体温度计，这样不仅能够让学生理解气体温度计的原理，还能够培养学生“变废为宝、化腐朽为神奇”的创造精神和实践能力。

在学完气体方程后，可以让学生用自制的笔芯气体温度计装置验证盖•吕萨克定律。

1．4 实验分析

笔芯气体温度计测量的量程为0～100℃，若想测量0℃以下温度，可更换凝固点较低的液体，精密度与刻度尺的精密度有关，也可以使用笔杆内径较小的圆珠笔芯进行实验，减小实验的误差。

笔芯气体温度计测量的误差可能与以下因素有关：（1）外界的大气压强，大气压会随着季节、天气及海拔高度等因素的变化而发生变化；（2）测量时放置的方法，不同的放置方法，会因为液柱的重力导致测量结果出现偏差，建议水平使用（与确定温度计刻度时放置位置相同）；（3）测量气柱长度时要留意笔芯内有无剩余的笔油。

2 用笔芯制作液体密度计（比重计）

2．1 材料

笔芯、铁丝(直径略小于笔杆内径)

2．2 制作方法

找一个用完的笔芯(最好是笔杆细长的圆珠笔芯)，将其笔尖朝下放入水中，看它是否能够竖直漂浮在水中(一般的中性笔芯都不能竖直漂浮在水中)，如若不行可以把铁丝剪为短节，放入笔杆内靠近笔尖的一端，直至它能够竖直漂浮在水中（如图2），在水面所对应的笔杆位置上做记号并标上数字“1”，表明密度为1×103kg/cm3，还可以把它放入酒精、盐水等液体中，在液面所对的位置上标记对应的液体密度值，如：0.8等。

2．3 教学运用

在学完浮力内容后，让学生自制笔芯液体密度计，去测量或比较不同液体密度的大小，这样不仅可以使学生巩固阿基米德原理F=ρgV及物体漂浮的条件F=G，还能够使学生理解密度计的原理，体验物理学知识的神奇。

2．4 实验分析：

因笔芯较小，不必让学生准确测出每种液体的密度，只要能够利用密度计的原理比较出不同液体密度的大小即可。

笔杆上密度的刻度是不均匀的，也请读者试着分析其中的原因。

(栏目编辑王柏庐)