用陶瓷片改进分子引力实验

管 余 黄 杰

(1. 河北兴隆县三道河乡中学,河北 兴隆 067301; 2. 南京中华中学,江苏 南京 210000)

用陶瓷片改进分子引力实验

管 余1黄 杰2

(1. 河北兴隆县三道河乡中学,河北 兴隆 067301; 2. 南京中华中学,江苏 南京 210000)

利用陶瓷片代替铅柱进行分子引力的实验,借助DIS系统中的力学传感器,检验实验改进后的效果,发现操作简单,实验效果显著,教学效度高．

分子引力;陶瓷片;力学传感器

1 问题的提出

分子引力实验是初高中物理教学的重点,利用实验说明分子力的存在．在现行的主流教材中,都是采用铅柱来进行实验,实验中要求将两块铅柱端面削平,用力压紧,下方吊起重物进行实验．但是在实际操作中,铅柱的端面难以削得很平整、光滑,两个铅柱难以紧密接触,很容易造成实验失败．并且每次实验之后,铅柱截面又出现凹凸不平的挤压痕迹,教师需要再次刮削铅柱,较为麻烦．除此之外,部分学生会认为铅柱发生了一定的形变,由此联想到粘土、橡皮泥等物质,造成概念不清,思维混乱,教师对此也难以解释．除了利用铅柱进行实验以外,在教科版九年级(上)物理教材中用粗熔丝(保险丝)进行实验,将粗熔丝斜切成两段,再将两段平滑表面接触起来,再吊起重物．实际操作中由于熔丝直径较细,挤压时为了产生较大的分子引力,要注意巧劲,且每次实验都要消耗一些熔丝,不能再次回收,造成了很多的浪费．

本文中的器材源自生活,利用水龙头阀芯(图1)

图1

中的白色陶瓷片进行实验,这种陶瓷片一般采用干压工艺生产,强度高,表面平滑,压紧之后,能够轻松的挂起重物,实验现象明显,学生也能简单操作,教学的效度非常高．

2 实验设计和验证

2.1 陶瓷片的选择和加工

水龙头阀芯中的两个陶瓷片分为静片和动片,其中静片整体是圆形,接触面相对较大(直径约14mm),本文中将其作为实验对象,研究两个陶瓷静片之间的分子引力,用胶水将绳子粘牢在静片背部(图2),方便钩拉物体．

图2

2.2 实验效果的验证

考虑到利用钩码或弹簧测力计进行实验时,干扰因素多,数据处理困难,这里利用DIS系统中的力学传感器来研究陶瓷片间引力的变化,通过数据采集和过程记录,提高了实验精度和效度．

将两个陶瓷静片光滑部分压紧后,挂在铁架台上(图3),在其下方挂上力学传感器,调整初始数据后,用手竖直向下拉动传感器,进行实验(图4)．

图3

图4

通过DIS软件数据处理,得到拉力和时间的图形(图5)．刚开始没有施加拉力时,传感器自重约为2N,随着拉力的增大,两个陶瓷静片并不分开,说明陶瓷片分子间存在拉力;继续增大拉力,当拉力达到约10.5N时,两个陶瓷片才分开,说明两个陶瓷片虽然面积很小,但产生的分子引力较大,实验现象明显．

图5

将两个陶瓷片再次压紧后,重复实验,得到新的图形(图6),此次实验中最大拉力约为12.5N．

图6

分析以上数据之后,发现利用陶瓷片进行该实验主要有如下优点:

(1) 效果稳定,效度很高.

多次实验后,发现该组陶瓷片能承受的最大拉力在10～15N之间．最大拉力的不同说明每次实验中最大分子力不同,主要是由于压紧陶瓷片的程度和两个陶瓷片重合程度影响的．

(2) 操作简单,可以分组实验.

相对于铅柱和粗熔丝,利用陶瓷片进行实验时,操作很简单,只要将陶瓷片压紧,就能产生较强的分子作用力,在实际教学中,可以进行分组实验,提高学生动手体验的乐趣．

(3) 可以重复利用,避免浪费.

这种陶瓷片重复多次后,实验数据没有太大的影响,在清理陶瓷片表面并密封保存一段时间后,能重复使用,能产生很好的实验效果,相对与铅柱和粗熔丝,可以减少浪费．

(4) 源自生活,材料环保.

这种陶瓷片在生活中很常见,新的及废弃的陶瓷阀芯均可利用,材料易获得且环保,陶瓷制品无污染．

3 总结和建议

在课堂教学中,可利用传统的钩码进行实验,效果直观明了,学生很感兴趣,可以能产生很好的教学效果(图7),但要注意,不要污染陶瓷片的接触面;在挤压时,要保持一定的时间和力度,让陶瓷片产生较大的分子力之后再挂重物．

这种陶瓷片的成本不高,可以引导学生在家进行实验(图8),利用该陶瓷片可以轻松提起一件单衣,增强学生的体验和乐趣;可以利用开设分子间作用力的开放性课题,促进学生寻找发现新的材料,自己动手DIY并进行实验,培养学生的科学精神,促进学生实践创新素养的养成．

图7

图8

1 曹鹏,王伟民.夹层有水玻璃难分开的主要原因不是分子引力[J].物理教师,2014(9)：60.

2017-02-13)