巧用弹簧秤测试匀速直线运动状态

2017-03-30张泓筠潘南红杨永亮贾志军

物理教师 2017年3期

关键词：弹簧秤钢珠示数

张泓筠潘南红杨永亮贾志军孟波

(1. 凯里学院物理和电子工程学院,贵州凯里 556011； 2. 贵州电子信息职业技术学院，贵州凯里 556000)

巧用弹簧秤测试匀速直线运动状态

张泓筠1潘南红1杨永亮1贾志军2孟波1

(1. 凯里学院物理和电子工程学院,贵州凯里 556011； 2. 贵州电子信息职业技术学院，贵州凯里 556000)

牛顿第一定律描述的状态是一个理想化物理状态,通常需借助近似实验帮助理解. 为寻求理想实验方法,本文利用物体系内部不同物体间的相对运动并借助液体对相互作用的传递设计简单、直观方法模拟惯性状态,并创造性地用弹簧秤示数的变化定量表征这种状态.

弹簧秤;匀速直线运动;透明模拟;物体系;动态平衡

1 问题的提出

牛顿第一定律是一条理想化的物理定律.[1-3]物体处于静止状态固然随处可见,但要获得理想的匀速直线运动状态可不是随意的事. 教学上常常是借助专门的气垫导轨或磁导轨来帮助学生理解,并用光电门或节拍器来测试,对实验硬件设备要求较高;[4]且滑块的运动只能是理想的匀速直线运动的逼近,并非理论意义上的匀速直线运动. 教师只能凭借理论抽象和实验外推引导学生展开想象,然后抽象出定律描绘的状态,这样会给理解能力有限的部分学生可能会带来认识障碍. 近来一些改进方法相继提出,丰富了匀速直线运动的实验演示.[5-7]笔者结合“落球法”并发展落球运动状态的表征,利用平衡条件模拟匀速直线运动状态,用弹簧秤示数的变化判断落球运动状态的变化(如本实验中从失重状态到平衡状态再到超重状态),从而发展了弹簧秤的传感器功能. 通过使用简单器材设计低成本实验实现多元创新和基本物理原理的透明模拟——用简单器材设计、在遵循科学原理的基础上采用放大或强化主要实验现象、[8,9]抑制或排除干扰现象的手段使物理原理形象直观、浅显易懂的展现在公众面前.

2 器材及装置

透明塑料管(L=200.0cm,Φ=2.0cm,管壁上贴长度标签,距端口3～5mm处沿管周刻槽以备细线系住,悬挂固定),小钢珠(Φ=1. 0cm),注射器,铁架台(带铁夹),弹簧秤,手机秒表或秒表,水银,条形磁铁,透明胶,剪刀.

装置如图1所示.

图1 钢珠在水中自由下落，状态1钢珠做加速运动，状态2钢珠做匀速直线运动，末态钢珠悬浮于水银和水的交界面上

3 理论依据

(1) 牛顿第一定律.

(2) 物体在液体中下落时存在极限速度,此时物体处于平衡状态.

利用液体内物体运动极限速度的存在这一规律、用平衡方式模拟惯性状态.[9]当钢珠等密度大的物体在水中下落时,粘滞阻力随速度增大而增大,直至阻力协同浮力与重力平衡为止. 将钢珠、水和塑料管看作一相互作用的物体系悬挂于弹簧秤上,钢珠在水中加速运动时,由于钢珠重力大于浮力与阻力和,浮力、阻力反作用于水,导致弹簧受到的拉力要少于整个体系的重量,物体系处于失重状态;当失重状态消失时,弹簧秤拉力达到最大,钢珠进入匀速直线运动状态. 因此可根据弹簧秤示数的变化来确定钢珠是否进入直线运动状态. 弹簧秤示数的变化转化并放大了钢珠运动状态不易观察的变化,达到了直观易懂实验效果.

图2 盐水球在水中自由下落,状态1盐水球做加速运动,状态2盐水球做匀速直线运动

4 操作方法

(1) 取适当长细线系住(要求韧性足够承受塑料管体系的拉力)塑料管,悬线端点位于管口相对位置,细线悬挂点(悬线中点)距离管口约1.0cm左右.

(2) 将塑料管系于固定于墙壁上的水平支杆上(或直接吊天花板上),用注射器沿管壁灌水(不能留有气泡),水面距管口约5.0～6.0cm;然后再用注射器吸入水银并沿管壁注入水中,水银因密度大而沉入管底,水银深度约4.0cm.

(3) 将塑料管挂于弹簧秤上,弹簧拉伸至刻度G1.

(4) 用细线将钢珠(可用烙铁焊接约0.5cm长铜丝作连接细线用,)系于弹簧秤上,并将其置于塑料管水面下,弹簧拉伸至刻度G2(大于G1).

(5) 用剪刀将悬挂钢珠的细线剪断,钢珠开始竖直下落,弹簧秤示数降低到接近G1;随着钢珠下落速度增大,弹簧秤示数增大,当速度增大到某值时,弹簧秤示数回归到平衡值G2后不再变化,此后钢珠进入匀速直线运动状态,浮力、水的粘滞阻力与重力平衡.

(6) 钢珠运动到水银-水的界面时,进入水银后由于水银的密度大于钢珠的密度较多,浮力大增(增大的浮力相当于外力改变了钢球的匀速直线运动状态),钢珠运动严重受阻,匀速直线运动状态改变为变减速运动,随着浮力增大到大于钢珠重量(液体受到的反作用浮力方向向下),系统处于超重状态,此时弹簧秤拉力大于平衡值G2. 钢珠在分界面上振动几次后停在分界面上. 钢球的整个运动过程理想地再现了牛顿运动定律,而非用近似方法逼近. 其运动过程可用手机录像拍下来随时观察,并用手机秒表记录钢珠开始做匀速直线运动(弹簧秤示数不再变化)到塑料管底部水银-水界面所用时间,由此计算运动速度.

(7) 若要重复实验,钢珠可用条形磁铁沿塑料管外壁自下往上中取出.

注意:

(1) 为了获得更长的观察时间,透明塑料管可适当加长,小球运动过程中,弹簧秤示数的变化可用手机录像直接录下来.

(2) 为使实验现象明显,应尽量选用密度大的小球,如金属球,以增大浮力和重力大小差距. 另外因水银有毒性,容易挥发,灌注水银时尽量避免跟空气直接接触. 实验完毕,应将水和水银倒入大号试管中(水银在下水在上,相当于用水封住水银),用注射器从试管底部回收水银. 为防不慎,实验时备好水盘和硫磺以备及时所需.

5 应用拓展

5.1 设计落球法测定液体的粘滞系数

按照本实验构想,将图1所示塑料管换作直径稍大点的玻璃管,装置固定于铁架台上(图2). 如直径3～4cm左右的塑料圆筒或用长直试管代替亦可(长50.0cm, 直径3.0cm,管壁上贴上长度标签),将装有食盐水直径(2r)约为1cm的小气球用细线系住放入试管口水面下(此处用盐水球作运动物体便于控制密度,小球在管中低速运动可近似满足斯托克斯条件:流体不可压缩,流体运动是稳定的层流且轴对称,流体粘附于球面,三个方面导致雷诺数Re比1小得多),[10]静置,此时弹簧秤示数最大. 然后用剪刀剪断(系小球)细线,小球从静止低速下落,并做短暂加速运动,弹簧秤(要求感量小)示数稍变小;小球很快进入匀速直线运动状态,弹簧秤示数恢复原值,不再变化.

(1) 如果球内盐水密度不大(接近于水),速度不大,可忽略粘滞阻力,弹簧秤示数变换与小球静置于水中时无异(倘若弹簧秤精度有限).

(2) 如果球内盐水接近饱和(此处提高盐水密度以便测粘滞阻力,否则小球下落过程中弹簧秤示数变化不大,难于测出粘滞阻力),密度较大,小球下落至匀速时速度较大,此时弹簧秤示数恢复至细线被剪断之前的读数. 细线被剪断,小球从静止状态到小球匀速直线运动状态弹簧秤示数的改变量即为小球受到的粘滞阻力f(实则为细线未被剪断时细线对小球的拉力,可用轻质弹簧秤取代细线将小球悬挂于水中测试该拉力). 直接用手机秒表(也可采用手机录像测试)测出匀速运动阶段小球的运动速度v,根据斯托克斯法,用公式f=6πηvr可求出粘滞系数η. 以上实际操作简单,不再详述.

5. 2 设计失重状态

本实验中从细线被剪断钢珠下落进入匀速直线运动前,塑料管、水、钢珠体系处于失重状态,但运动距离有限,为延长失重状态时间,可用酒精代替水作实验,酒精与钢珠密度差距大些,钢珠进入匀速直线运动时间相对较长,尽管钢珠做变加速直线运动时,平均加速度要大些.

6 总结

(1) 充分利用简易器材设计了低成本实验. 操作方法简单,可任意重复. 实验(细节)现象直观充分地体现了惯性定律、匀速直线运动状态的出现和自制实验仪器的创新性,避免了某些复杂仪器仪表因为高技术和复杂结构带来的“黑箱”操作. 由于是依靠运动获得的平衡状态,因此能够理想地表现匀速直线运动状态,而不是近似匀速直线运动状态.

(2) 实验设计蕴含着一种信号的转换,落球的运动状态转化为弹簧秤的示数的变化,弹簧秤充当了传感器的作用,将一种非电信号转化为另一种可量化的非电信号.[11]

1 课程教材研究所. 八年级物理下册[M]. 北京: 人民教育出版社,2012:15.

2 张瑞琨. 中学教学全书·物理卷[M].上海: 上海教育出版社,1996:122.

3 万中义. 中学数理化公式定理手册[M]. 成都: 四川辞书出版社,1994:285.

4 段吉辉,徐从兰,孟昭敏编译. 物理学演示实验手册[M]. 济南: 山东教育出版社,1987:7.

5 张起祥,张晓英. 匀速直线运动的实验演示[J]. 物理实验,2002(08):33-34.

6 王宪. 从形似到神具——谈“匀速直线运动”演示实验的创新与思考[J]. 中学物理: 初中版,2011(10): 22-23.

7 史亚萍. 关于匀速直线运动实验的改进[J]. 物理教师,2011,32(4): 22-23.

8 曹会,张飞. 多元化背景下物理实验教学资源特质分析初探[J]. 物理教师,2016,37(03):16-20.

9 王云才. 大学物理实验教程[M]. 北京: 科学出版社,2008: 52-53.

10 何圣静, 王兴乃. 物理实验词典[M]. 北京: 科学普及出版社,1991: 3-60.

11 郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用(第4版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2014:27.