牛顿管实验的改进

郭柏岩

应用牛顿管研究“重力作用下物体的运动”，是中学物理教学的一项重要内容，也是教学难点所在.教学中必须认真研究实验，精心设计实验.只有实验易于操作、实验原理易于理解、实验现象简单直观明了，才能使学生对物体运动中动力学原理的理解和动力学概念的构建，起到切实的帮助作用.因此，这一实验演示效果的好坏，关系到本节课教学结果的成败.因此，有必要对该实验进行改进.

教学用牛顿管是一根长约120 cm，一端封闭一端带有气嘴的玻璃管.是牛顿设计的用以验证在真空中，物体下落速度与物体重量无关的装置.牛顿管的出现，使伽利略的理论从纯理论研究进入实验验证阶段，并通过实验得到正确验证.因此，牛顿管对经典力学理论的建立中有着不可磨灭的贡献.三百年来，人们一直沿用它来进行物理实验和物理教学.在教学中，笔者发现用现有的牛顿管实验时，若物体下落开始沿着管壁滑落，会存在观察效果不佳的缺陷.为此，笔者对牛顿管进行两项改进，使实验可视性更高，效果更明显.图1（1）是在紫外线灯光照射下，涂有荧光物质的铁片和羽毛的运动情况，底部发亮是玻璃管底部反光造成的；图1（2）是改进后的牛顿管实物图，玻璃管上端黑色部分是电磁铁，下端是LED灯和抽气嘴.

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1在牛顿管顶部正中央加装电磁铁，保证物体同时下落并不与管壁摩擦

常见的牛顿管使用过程中，实验者是靠物体自身重力作用，使物体停留在牛顿管的底部，然后迅速使牛顿管在竖直面内旋转180度，物体在管中下落.这就难以保证管中两个物体同时下落，同时由于旋转，物体一开始下落时会和管壁接触，管壁的作用力，增加了实验的干扰因素.影响实验效果.为此，我们把牛顿管的封闭段断开，用长度5 m、直径为0.21 mm的漆[LL]包线（35号线）制成线圈，其允许通过电流是0.176 A～0.281 A，加4 V～6 V直流电压，制成一个电磁铁，用丙烯酸酯和固化剂予以封闭.实验时接通电源让铁片压着羽毛并被电磁铁吸在玻璃管顶部中央位置，断开电源使其同时下落.

2给下落的铁片和羽毛涂上荧光物质，在紫外线作用下使其发光，便于学生观察

由于物体在牛顿管中下落时间很短，玻璃管面反射光作用很强，不便于观察运动情况.为此，我们把实验中所用的铁片和羽毛，涂上荧光物质，使其在紫外线照射下发光，以利于观察.

荧光是某些物质受到一定波长光的激发后，在极短时间内发射出的波长大于激发光波长的现象.笔者以异硫氰酸荧光素（FITC）作为荧光材料混合清漆，稀释剂按1∶3∶5的比例混合，涂到铁片和羽毛上待干燥后使用.羽毛上的涂层要薄一些，防止因油漆过多羽毛空气中运动阻力相对减少.在玻璃管的底部加装5W的LDE紫外线灯（直流工作电压3.4 V～3.8 V），加聚光灯罩，用粗孔金属网罩住聚光灯罩，防止物体下落砸坏紫外线灯，同时起到缓冲作用.把灯及聚光灯罩固定在玻璃管的底部，把电源线引出并封闭.为防止普通铁片和电磁铁接触被磁化，避免断开电磁铁电源后铁片不下落的情况出现.铁片的材料要用软铁材料，我们把四个软铁薄片焊接在一起，使之成为正四面体.这样在物体下落过程中，可以使观察者在不同的角度都能看到物体发光的一面.在玻璃管外壁的半个侧面粘上黑色不干胶带以增强远端观察者的视觉效果.

3使用方法

（1）抽真空之前，接通电磁铁电源，调整四面体铁片，使其一面被电磁铁吸住并压紧羽毛.牛顿管处于竖直状态，带有电磁铁的一段在上面.接通紫外线灯电源使其发光.然后断开电磁铁电源，使涂有荧光物质的四面体铁块和羽毛一起下落，观察物体在空气中先后落到底部的运动情况.

（2）用抽氣机通过气嘴把牛顿管抽成接近真空，重复上述步骤，观察物体在真空中自由下落，同时落到底端的运动情况.

注意的问题：若长时间通电，会使紫外线灯过热.所以使用后应立即关闭紫外线灯的电源，避免烧坏灯泡.

笔者经过多次实验和改进，在课堂上应用改进后的牛顿管进行实验操作，有效地解决了以往教学中存在的实验不易操作，干扰因素多，不易观察等问题.实践证明，教学效果良好.