自制表面張力演示儀和穩定度判定儀

劉翠青，李敏兒，陳堉馳

（韓山師范學院 物理與電子工程系，廣東 潮州521041）

1 引 言

2011年8月2 —4日，由中國教育學會主辦、西華師范大學承辦的全國第3屆大學生物理教學技能大賽在四川南充舉行．本次大賽共有來自北京師范大學、首都師范大學、東北師范大學、華東師范大學、華南師范大學、南京師范大學等全國91所高校的661名學子（含36名研究生）參加．大賽共分27組，每組25名選手，從25名選手中勝出者為特等獎．我院派出物理與電子工程系的6名選手參賽，選手李敏兒、黃冬妮、陳陽陽獲特等獎，陳堉馳、劉淑孝獲一等獎，楊少彬獲二等獎．下面介紹其中2個課題中的精彩的實驗教具的設計與制作過程，旨在激發對自制教具的興趣和重視，希望有更多、更有創意的低成本實驗教具的出現，豐富和充實中學物理課堂教學資源，滿足和實現新課程標準對中學物理教學的要求．

2 表面張力演示儀

在創設情景、導入課題中演示開口瓶倒立水不流的趣味實驗（圖1）：首先握住瓶子，向瓶內加滿水后，蓋上塑料板（紙板也可以，但塑料板和紙板都需貼上表面光滑的廣告紙，起防水作用），然后將瓶倒轉，這時塑料板不會掉下來，水也不會流出來；接著輕輕地吹掉塑料板，會發現水依舊沒有流出來；若傾斜瓶子，水卻流出來；最后再次倒立時，水反而不會流出來，這時再晃動瓶子，水流出來，停止晃動，水又不會流出來．利用時而水流時而水不流的現象，制造了層層懸念，為學生學習創設了問題情境，激發了學生的學習興趣，為導入課題做了良好的鋪墊．

圖1 表面張力實驗演示圖

2．1 實驗裝置的取材與制作過程

瓶口粘有細網的塑料瓶如圖2所示．

圖2 瓶口粘有細網的塑料瓶

為了使實驗演示效果明顯、便于制作和攜帶，實驗采用了生活中常見的飲料瓶，瓶高約18 cm，瓶口直徑約4 cm．

網狀物的網孔大小在這個實驗中起著決定性的因素，因此網孔大小的選擇就成了制作的關鍵．若網孔直徑大于2 mm的鋼絲網，水很快就會流出來，而密集的網孔在裝水時水無法順利地倒入杯子．通過不斷的試驗，最終選用了直徑約為1 mm的網孔．而本實驗采用的材料來自廢棄保溫杯中的過濾網，后來還嘗試家庭中窗戶紗窗的制作廢料，效果一樣明顯．

制作過程只需將網狀物裁剪成瓶口大小，然后用硅膠將網狀物粘合在瓶口處．該過程需要反復進行，同時用剪刀剪除多余的膠，使粘合處平整，防止在瓶子側面看出粘合的痕跡，使整個教具美觀大方．在粘合過程或實驗后網狀物可能會出現凹陷下去的現象，此時可用針或其他工具將網挑平．

2．2 實驗的功能與作用

這個實驗常常會使人想起大氣壓強的覆杯實驗，誤認為是大氣壓強的原因．其實水不流出來是因為表面張力的作用使細鋼絲編成的網孔形成了水膜，從而水不會流出．而傾斜或晃動瓶子，就無法形成完整的水膜，因而水流了出來．

該實驗充滿趣味性，一開始學生會以為是覆杯實驗而忽視，但是當學生看到塑料板掉下后水依舊不會流出來時就會產生疑問和興趣，同時當他們看到水在傾斜時流出而再次倒立時卻流不出來，則會更加驚訝，每一步操作都可以引起學生的注意，為此，該實驗作為導入實驗的效果比較好．

3 穩定度判定儀

在探究物體維持穩定的條件時，通過穩度判定儀的直觀演示，不斷地改變支撐面積的大小和重心位置的高低，得出結論：物體穩定的條件是重力作用線（重心在底面上的投影）必須落在物體支撐面積以內．當重心投影超出支撐面積范圍時，則無法保持穩定．

3．1 實驗裝置

穩定度判定儀如圖3所示，由1根螺紋鐵棒連結在一起的2個方形木框，用1根繩子交叉連結2個木框的中點，交點就是儀器的重心位置，用1盞小燈（擠壓燈口可打開紅燈）標示重心位置在底面上的投影．

圖3 穩定度判定儀

3．2 實驗教具的取材與制作過程

穩定度判定儀的原型是折疊式木框布書架，撤去外圍的布料之后就得到2個分散的方形木框，1個大（外）框，1個小（內）框．在內外木框的木條中間分別鉆孔，然后用1根長度、半徑、粗糙程度都合適的螺紋鐵棒穿過兩木框的中心孔．使用時發現，角度變化單一，而且很難穩當地擺放在桌面上．為此作了改進：在外框的3／4處鉆孔，螺紋鐵棒穿過外框的3／4孔和內框的中心孔相連結．這樣，可隨意地變換角度和改變支撐面積的大小，并且較穩當地擺放．在制作中，還要注意連結2個木框的鐵棒相當重要，孔的大小和孔紋最好和鐵棒的螺紋相匹配．隨后，注意在穿螺紋鐵棒時要先套上內框里面的固定螺母，連接完畢后在外框上套上彈簧戒指和螺母，起到固定與調節的作用（注：2個木框連接處的松緊會影響演示儀擺放穩定性，可微調兩邊螺母控制松緊程度）．這樣，既保證木框連接后可以轉動，又使木框之間的松緊可調，而且保證使木框能夠準確無誤地以任何角度擺放在桌面上．為了增加教具與桌面的粗糙程度，在框的支點適當涂上硅膠．

最后考慮如何標示穩定度判定儀的重心的位置．教具是由2個規則的方形木框構成，每個木框的重心都在2個方形木框的幾何中心，將2個木框連接之后，教具的重心就位于2個木框幾何中心的連線的中點（這里忽略了螺紋鐵棒對重心位置的影響．若要講究嚴格的規則對稱，則可在外框的1／4處再穿1根相同的螺紋鐵棒）．用1根繩子采用交叉的方式，連結內外框的中心孔，成X字，交點就是教具的重心位置 注意繩子的材料要堅固，能夠綁得結實，掛得起重物，還要夠細，可以穿綁于鐵棒螺母之間和中心鉆孔之間，另外顏色要鮮艷醒目．

穩定度判定儀主要是直觀地顯示重心投影位置和支撐面積的關系對穩度的影響，因此，在重心位置安裝1盞小燈來標示重心位置在底面上的投影．本教具使用的小燈來源于紅色光的單車裝飾尾燈．為了使光路集中，避免光線發散，燈外圍貼上1圈黑膠布和1層美觀的硬紙板來遮擋光線，紙板剪成扇形包住，中間剪一小孔，光線沿孔射出，在支撐面上出現1個紅點，以此標示教具重心位置在支撐面上的投影．

3．3 實驗的功能與作用

穩定度判定儀可用于多角度觀察和驗證物體穩定的條件：重力作用線（重心在底面上的投影）必須落在物體支撐面積以內．改變重心位置高低，支撐面積大小，當重心投影落在支撐面積以內時，物體始終保持穩定；當重心投影超出支撐面積范圍時，無法保持穩定（圖4）．物體支撐面積越大，重心位置越低，則重力作用線越不容易超出支撐面，物體越穩定．還有可用來區分支撐面積和接觸面積的不同．通過穩度判定儀生動、直觀、形象的演示，使學生易于理解和掌握穩度的有關知識和規律．

圖4 穩定條件的演示

4 結束語

一件成功的自制教具，不僅蘊含豐富的物理知識，還包含著制作者的智慧．實驗教具的制作過程，是指導教師與學生不斷交流，思想撞擊火花激發靈感，不斷地嘗試、修改、完善的過程，也是不斷地發現問題、分析和解決問題的探究過程．