初中物理小制作的探索與實(shí)踐①
——以“力與密度綜合測(cè)量?jī)x”為例

紀(jì)甜甜 邵加民

(1.江蘇省南京市科利華中學(xué),江蘇 南京 210037;2.南京師范大學(xué),江蘇 南京 210023)

1 引言

物理小制作是指利用物理知識(shí)和手工技能制作出具有一定功能或展示某種物理現(xiàn)象的小型物理裝置?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》指出:提倡師生利用身邊的物品、器具、材料等自主開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)器材。[1]在初中物理教學(xué)中,引導(dǎo)學(xué)生開展小制作活動(dòng),能加深他們對(duì)物理知識(shí)的理解,強(qiáng)化物理學(xué)習(xí)的實(shí)踐性,有利于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。[2]

2 自制“力與密度綜合測(cè)量?jī)x”

在學(xué)生已經(jīng)學(xué)會(huì)使用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量力、使用密度計(jì)測(cè)量液體密度的基礎(chǔ)上,思考力與密度之間的聯(lián)系,在生產(chǎn)生活中能否利用綜合測(cè)量?jī)x,既能測(cè)量力又能測(cè)量密度,使測(cè)量?jī)x器更具有實(shí)用價(jià)值。

據(jù)此確定創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主題,結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)的物理知識(shí),通過調(diào)查、咨詢,選擇身邊的器材,嘗試自制一個(gè)多功能測(cè)量?jī)x,能同時(shí)測(cè)量力和密度。

2.1 器材選擇

實(shí)驗(yàn)器材:鐵架臺(tái)、貼有白紙的木板、彈簧、鉤碼、刻度尺、小桶、量筒、水。

鐵架臺(tái)用于懸掛彈簧,貼有白紙的木板便于標(biāo)注刻度,質(zhì)量一定的鉤碼用于定標(biāo)。

2.2 制作原理及操作要領(lǐng)

2.2.1 測(cè)力計(jì)部分

制作原理:在彈性限度內(nèi),彈簧受到的拉力跟彈簧的伸長(zhǎng)量成正比。

(1) 測(cè)力計(jì)制作的難點(diǎn)在于標(biāo)注刻度線。首先將貼有白紙的木板懸掛在鐵架臺(tái)上,在木板前方掛一個(gè)彈簧,讓彈簧自由伸長(zhǎng),選取彈簧上合適的一點(diǎn)作為參考點(diǎn),在白紙左側(cè)記錄該點(diǎn)的位置,作為彈簧測(cè)力計(jì)的零刻度點(diǎn)O1。

(2) 在彈簧下端懸掛一個(gè)50 g鉤碼,通過計(jì)算得出該鉤碼所受重力為0.5 N,此時(shí)彈簧被拉伸,記下參考點(diǎn)的位置,即為0.5 N對(duì)應(yīng)的刻度位置。

(3) 增加一個(gè)鉤碼,記錄參考點(diǎn)的位置,即為1 N對(duì)應(yīng)的刻度位置,將0～1 N之間的刻度線等分10份可以得到0.1 N對(duì)應(yīng)的刻度線位置,0.1 N即為自制彈簧測(cè)力計(jì)的分度值。

(4) 繼續(xù)增加鉤碼,觀察彈簧的形變程度,實(shí)驗(yàn)所提供的彈簧所能承受的最大拉力略大于2 N,因此自制彈簧測(cè)力計(jì)的量程為0～2 N。

2.2.2 密度計(jì)部分

(1) 制作原理

利用小桶、水、量筒在白紙右側(cè)標(biāo)注密度的刻度線。測(cè)量液體密度時(shí),要求所測(cè)液體裝至小桶標(biāo)記處,利用等體積關(guān)系將不同液體的密度大小通過刻度線進(jìn)行標(biāo)注。

(2) 制作步驟

① 在彈簧的下端掛一個(gè)空的小桶,彈簧在小桶的拉力下伸長(zhǎng),利用自制的彈簧測(cè)力計(jì)能讀出小桶所受的重力G0,依然選取彈簧上剛才的參考點(diǎn),在白紙右側(cè)記錄該點(diǎn)的位置,作為密度計(jì)的零刻度O2。

② 在小桶做上標(biāo)記,加水至標(biāo)記處,掛在彈簧下端,讀出小桶加水所受的總重力G1,在白紙右側(cè)記錄該點(diǎn)的位置,此處密度值為1.0 g/cm3。

③ 將小桶中的水全部倒入量筒中,測(cè)出水的體積V。

④ 如果液體的密度值為2.0 g/cm3,能夠算出體積為V的此種液體所受的重力,從而在白紙右側(cè)標(biāo)記密度值為2.0 g/cm3的刻度位置。通過將零刻度O2和密度值為1.0 g/cm3的刻度線擴(kuò)大兩倍可以得到密度值為2.0 g/cm3的刻度位置。將零刻度O2和密度值為1.0 g/cm3的刻度線等分十份,則密度計(jì)的分度值為0.1 g/cm3(圖1)。

圖1

2.3 制作反思與改進(jìn)

2.3.1 反思

根據(jù)學(xué)生匯報(bào)、呈現(xiàn)的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)利用同一個(gè)彈簧在同一個(gè)木板上白紙左右兩側(cè)畫出的彈簧測(cè)力計(jì)刻度值和密度計(jì)刻度值的零點(diǎn)位置不一樣,密度計(jì)的零刻度線要低一些,這是因?yàn)樘峁┙o學(xué)生的小桶受重力作用,這也是本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要評(píng)分點(diǎn);同時(shí)有些同學(xué)的刻度線是不均勻的,需要對(duì)精度提出相應(yīng)要求。

2.3.2 改進(jìn)

可以給學(xué)生提供記錄更加方便的木板,增加實(shí)驗(yàn)的可操作性,同時(shí)提供大一些的彈簧,提供體積、質(zhì)量不同的多個(gè)小桶,以增加彈簧測(cè)力計(jì)和密度計(jì)的量程,使自制的實(shí)驗(yàn)器材可用性更廣泛,為此測(cè)量模型在日常生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用提供可行性。

(1) 利用左側(cè)刻度測(cè)量力的大小

① 將被測(cè)物體掛在彈簧下端,待物體靜止后,讀出彈簧上的參考點(diǎn)在左側(cè)刻度線的位置,即為該物體所受重力大小;

② 對(duì)掛鉤施加一個(gè)力(小于2 N),從左側(cè)刻度可以讀出拉力大小;

③ 在水平面上拉著小物塊做勻速直線運(yùn)動(dòng),利用二力平衡條件,可間接測(cè)得滑動(dòng)摩擦力大小。

學(xué)生總結(jié):通過更換彈簧,可以標(biāo)注更多刻度,增大測(cè)量范圍,改進(jìn)之后的自制測(cè)力計(jì)具有應(yīng)用到生活生產(chǎn)中的實(shí)踐意義。

(2) 利用右側(cè)刻度測(cè)量液體密度

將待測(cè)液體裝入小桶中,直至標(biāo)記處,將裝有液體的小桶掛在彈簧下端,靜止后讀出彈簧上的參考點(diǎn)在右側(cè)刻度線對(duì)應(yīng)的示數(shù),即為該液體的密度大小。

學(xué)生總結(jié):通過更換彈簧、減小小桶體積和質(zhì)量,可以標(biāo)注更多刻度,增大密度測(cè)量范圍,改進(jìn)后的密度計(jì)可應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。

3 拓展思考

進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考密度與體積、壓強(qiáng)等物理量的關(guān)系,運(yùn)用特殊測(cè)量的方法,將液體密度計(jì)進(jìn)行改進(jìn),制成刻度均勻的密度計(jì)。旨在通過具有綜合性、實(shí)踐性、參與性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng),引導(dǎo)學(xué)生從多視角探尋問題的解決方案,加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一種方案是根據(jù)物質(zhì)密度的概念,只要測(cè)量出物體的質(zhì)量和體積,就能計(jì)算出該物質(zhì)的密度?？梢灾挥锰炱骄湍軠y(cè)出液體物質(zhì)的密度,前提是待測(cè)液體的體積要保持一定。將砝碼的質(zhì)量除以體積,重新定標(biāo),這樣就可以只用天平來測(cè)液體密度了,為了方便測(cè)量,可使待測(cè)液體的體積為定值,每次都裝滿某容器或?qū)⒀b待測(cè)液體的容器做成溢水杯,制成“密度天平”(圖2)。制作方法如下:利用天平、燒杯和水(水的密度為ρ水),制作液體密度計(jì),在燒杯外壁標(biāo)記刻度線,對(duì)密度值進(jìn)行標(biāo)注。

圖2

另一種方案是應(yīng)用阿基米德原理,物體漂浮時(shí)所受重力與浮力平衡,即物體所受重力等于排開液體所受的重力。若讓某物體漂浮在待測(cè)液體中,液體的密度越大,排開液體的體積就越小,這樣,我們就可以用漂浮物體排開液體的體積來標(biāo)注液體密度的大小。把一定大小的物體放在裝有待測(cè)液體的量筒內(nèi),從量筒中液體液面高度的變化,測(cè)出物體排開液體的體積,在量筒上進(jìn)行刻度標(biāo)注,制成“量筒式液體密度計(jì)”(圖3)。制作方法如下:利用量筒、燒杯和水(水的密度為ρ水),在量筒外壁標(biāo)記刻度和密度值。

圖3

4 結(jié)語

在初中物理小制作活動(dòng)中,學(xué)生通過探索和制作,能直觀地感受到物理現(xiàn)象和規(guī)律的美妙,激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣和熱情,提高了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。