反冲实验仪的研究与制作

万欣欣

摘 要：“反冲运动”[1]是高中物理教学中的重点与难点，学生很难理解此运动。目前已有的反冲实验仪，均只能从直观现象定性反映 “反冲现象”，并未有某一实验仪器可以清晰的定量分析“反冲现象”。本文在研究“磁悬式反冲实验仪”及普通反冲实验仪的基础上，制作了实验效果明显的反冲实验仪器。可以更好地服务高中“动量守恒定律”教学，同时也使学生能够从感性、理性两方面去全面的了解、掌握“反冲现象”。

关键词：反冲 动量守恒定律 实验仪 物理教学

中图分类号：G652 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0189-02

伴随着2017年高考物理考试大纲[2]的修订，已将高中物理选修3～5重新纳入到高考必考部分，使“动量守恒定律”重新成为高中物理教学的重点和难点，而作为“动量守恒定律”在实际生活中的运用，当然也变得至关重要。本文在研究普通反冲实验仪时，发现现有实验仪器均是以水反冲或者是蒸汽反冲，只能粗略看到实验现象，并未能定量体现出反冲现象。笔者通过改进现有反冲实验仪器的同时制作了“反冲实验仪”，不仅效果明显，并且可以定性分析反冲实验现象。此仪器可以帮助学生更好地理解和掌握“反冲现象”。

1 实验仪器设计思想

对“磁悬式反冲实验仪”[3]（仪器如右图1）而言，在蒸汽从喷嘴喷出时，由于气体反冲作用，带动整个自金属球以下整个烧瓶转动。磁铁和金属球之间由于磁力作用相互吸引，由于磁铁球球切面和顶端磁铁相连接使得喷气反冲容易带动金属球以下烧瓶整体转动。在此同时，暴露出两个问题：其一，本实验仪器对金属球和磁铁之间磁性要求甚高，笔者在研究后认为：本实验仪器，没有磁悬必要，若在金属球和顶端支架处系一根细线，在瓶身周围做适宜固定装置防止瓶身随意摆动，同样可以达到此实验仪器效果。其二，本实验由于采用原理是靠蒸汽，蒸汽质量和喷出时速度都很难测量，在要求测量实验数据时，难度很大。通过研究本实验仪器和一般反冲实验仪器[4]后笔者认为：磁悬的目的是为了减轻反冲过程中的摩擦；目前的反冲实验仪仅能够定性的演示反冲现象，却无法从定量的角度演示，故笔者尝试制作出了以下可定量测量实验数据的反冲实验仪器“悬挂式反冲实验仪”。

2 仪器结构及原理

2.1 悬挂式反冲实验仪

2.1.1 制作材料222

如图所示实验仪器制作材料包括：塑料瓶、塑料板、钢锯、锉刀、细线、小刀、强力胶水、喷嘴、刻度尺、秒表、弹簧秤

2.1.2 实验步骤

（1）制作如图所示实验仪器。并用米尺测量甲、乙喷嘴至喷嘴中心半径长度记为R甲，R乙。

（2）首先用手堵住喷嘴甲，将水装至顶端刻度线，并用弹簧测力计测出此侧面水的质量m甲1；用同样方式，测出喷嘴乙所在侧面当水装至顶端刻度线时的质量m乙2；再次用用手堵住喷嘴甲，将水装至底端刻度线，并用弹簧测力计测出此侧面水的质量m甲3；用同样方式，测出喷嘴乙所在侧面当水装至底端刻度线时的质量m乙4；最后用分別记喷头甲底端刻度线和顶端刻度线之间所装水质量为m甲，同理记喷头乙底端刻度线和顶端刻度线之间所装水质量为m乙.

（3）首先用双手堵住两个喷嘴，将水分别装入到塑料瓶的两侧，使水位达到刻度线一并且使两侧液面持平。

（4）同时松开堵住喷嘴的双手，并开始用秒表对甲、乙两喷头计时，并数塑料瓶喷嘴甲、乙转动圈数等两侧水位下降至底端刻度线时，停止计时。记转动时间和圈数分别为t1，t2；n1，n2。重复实验求出t1，t2；n1，n2平均值，并计算出其周期T从而计算出线速度记为，。

（5）重复几次实验求平均值，再将喷嘴各个侧面流出的水的质量分别计算重力平均值对应质量记为m1，m2。

（6）验证动量守恒定律m1v1与m2v2的值近似相等则说明动量守恒。

2.1.3 仪器原理

通过甲、乙喷嘴所对应下降的水位，测出实验过程中甲、乙喷嘴所对应的流出水的重力从而测出甲、乙喷嘴所对应下降的水位的质量m1，m2。通过转动圈数和时间，可以测量出甲、乙喷嘴转动所对应的周期分别为t1，t2。由圆周运动公式线速度大小由V=R（）计算出甲、乙喷嘴转动所对应的平均线速度，.由于初始状态没有速度系统初动量为0，最后验证和的值若近似相等，由于速度方向相反，则，验证动量守恒定律成立。

2.1.4 实验数据及分析

实验数据记录见表3。

结论：通过两喷嘴喷出水的动量在允许误差范围内，近似相等。说明此系统的动量守恒。

3 仪器制作过程改进及反思

3.1 悬挂式反冲实验仪制作过程中的改进及反思

为了使此实验仪器能更加完善，在制作过程中做了以下改进。

（1）最初采用四个喷嘴，但由于四个喷嘴水流流速过快，实验时间较短，并且不易测量每个喷嘴的转动圈数和时间，在实际操作中需要参与人数过多。最终采用2个喷嘴，但喷嘴变少，动力不足，所以将扁型喷嘴变为圆形以增大水流量。

（2）为了更好地测量在转动过程中两个喷嘴流出水的质量，决定将塑料瓶隔开。但在隔开过程中，很难估计塑料瓶口弧段部分隔开需要透明板大小，最终决定空隙部分灌入强力胶来密封缝隙。

（3）若在瓶转动过程中，可能有一定晃动，决定在瓶底底部放一个固定瓶不大幅度晃动的铁架台。

（4）避免用两根线来悬挂塑料瓶，在塑料瓶转动过程中两线交叉扭动，采用一根线悬挂塑料瓶。

4 仪器制作的意义

其一，作为演示反冲的演示仪器，其最终的目的是能突出其原理和过程并能定量得出实验数据，使此实验仪器能更好的为高中物理教学服务。从制作仪器所需要的物质来看，既要求所选的材料低碳环保、贴近生活，又要求尽量让使用的材料使实验现象明显直观，效果达到最佳，在高中物理阶段，动量守恒定律是一个比较困难，比较抽象的知识点，在教学中应该尽可能的通过实验的手段使学生真切的感知到此反冲现象的存在，从而让学生从现象中挖掘物理知识及内容，从而更加透彻的理解有动量守恒定律的知识，使学生能从生活走向物理，从物理回归到生活。

其次，由生活中常见的材料所自制教具比起厂制仪器更能激发学生的动手欲望和创造性，更能让学生感觉到科学与生活息息相关，更能有效的传播非语言教育信息，物理实验教学设计的种种问题，都必须归结到物理学的理论、思想、方法和教学论的思想两个方面来进行研究。自制实验教具，进而发展学生和教师的主观能动性是实验教学的重要指导思想。

参考文献

[1] 物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-5[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2] 孟卫东，何龙.高考物理改革，我们怎么学[J].中国考试，2017（1）：43-47.

[3] 徐光秀.磁悬式反冲实验仪[J].教学仪器与实验， 2001，17（11）：25.

[4] 刘银奎.反冲运动演示实验的改进[J].物理实验，2003，23 （10）：33-47.

[5] 孙小川.磁悬浮地球仪控制装置研究[D].华中科技大学， 2008.endprint