利用廢舊材料制作卡文迪什扭秤模型*

冉 英

(北京市順義區楊鎮第一中學　北京　101309)

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利用廢舊材料制作卡文迪什扭秤模型*

冉 英

(北京市順義區楊鎮第一中學北京101309)

本裝置利用身邊廢舊的材料還原了卡文迪什扭秤制作過程中的原型，利用的是英國皇家學會的米歇爾神父制作的扭秤原理——即利用作用力比較大的磁相互作用代替弱小的萬有引力作用．雖然磁相互作用與萬有引力規律并不相同，但都滿足平方反比規律，故用來給學生形象地展示扭秤巧妙利用兩次放大思想的應用，體會物理學的方法，激發學生的學習興趣，幫助學生理解都非常有用．

廢舊材料卡文迪什扭秤制作

1　創作原因

實驗物理開創了近代物理學發展的新局面，在實驗物理學300多年的發展進程中，涌現了眾多具有里程碑意義的物理實驗．他們以其巧妙的構思、精心設計的儀器、高超的測量技術、獨到的處理方法和分析判斷等，為我們展示了極其豐富和精彩的物理思想，開創出解決問題的途徑和方法．卡文迪什扭秤的設計和應用即是一個典型的案例，它“開創了弱力測量的新時代”．

但在筆者的教學中發現，不同版本的高中物理教材在對“萬有引力定律”一節的內容呈現時，雖會涉及卡文迪什扭秤的內容，但課文多數僅對扭秤的結構進行說明，一般并不配備教學模型，教學中只能利用課件進行講解．人教版2004年版物理教材模塊3-1中更是刪去了卡文迪什扭秤構造圖，僅有卡文迪什實驗室的外景圖片介紹．

筆者通過教學實踐發現，其實學生對扭秤的設計發展史以及不同科學家對扭秤的改進很感興趣，尤其想知道它實際的構造以及測量原理，于是產生利用身邊的廢舊材料自制卡文迪什扭秤模型的想法，以滿足學生的求知欲，使他們更好地了解扭秤巧妙利用兩次放大的思想．

2　制作材料

廢舊的油筆芯3根(帶筆頭)、廢舊中藥丸的球型盒兩個，兩個小強磁體、銅絲、廢舊的筆桿、小鏡子、塑料桿(80 cm左右)、泡沫塊、熱膠棒、兩個球形導體、激光筆．

3　制作過程

3.1大支架的制作

將塑料桿和廢舊筆桿固定于大泡沫塊上，做成大支架，如圖1所示．

圖1　大支架

3.2T型支架的制作

將3根舊筆芯用筆頭連接作為T型支架的橫梁，如圖2所示．

圖2　T型支架橫梁

3.3T型支架兩端固定的“小鉛球”的制作

(1)如圖3將半個藥丸盒分別通過熱膠固定在T型支架的橫梁的兩端．

圖3　“小鉛球”

(2)在T型支架橫梁的兩端藥丸盒內部用熱膠分別固定小強磁體．

(3)將藥丸盒的另一半分別扣合成完整的藥盒．

3.4安裝小鏡子

圖4是在T型支架的橫梁中點處連接上銅絲.

圖4

用熱膠在銅絲的中部固定小鏡子，銅絲一端與T型支架連接，另一端固定于大支架上的廢筆桿上，如圖5所示．

圖5

3.5組裝各部件

圖6(a)將裝有小鏡子的橫梁上的銅絲懸接在大支架上；圖6(b)是在T型支架的橫梁兩端點“小鉛球”附近，各放置1個絕緣金屬球.

圖6

4　實驗過程

第一步：將T型支架通過銅絲懸掛在大支架的筆桿上．

第二步：調節 T型支架平衡，待其穩定后讓學生用激光筆對著T型支架上的小鏡子發射激光，并將激光筆固定于此位置，記錄激光被反射后在墻上的光點位置．

第三步：將兩個球形導體放置于離“小鉛球”基本等距的地方，觀察光點的移動情況．

5　應用的科學方法原理

力矩平衡；機械放大思想；平方反比規律．

6　創新點

(1)所需材料均來自身邊隨手可得的廢舊材料．

(2)本裝置還原了卡文迪什扭秤制作過程中的原型，利用的是英國皇家學會的米歇爾神父制作的扭秤原理——即利用作用力比較大的磁相互作用代替弱小的萬有引力作用．

雖然磁相互作用與萬有引力規律并不相同，但都滿足平方反比規律，故用來給學生形象地展示其對放大思想的應用，體會物理學的方法，激發學生的學習興趣，幫助學生理解都非常有用．

7　使用情況和進一步完善的設想

使用中扭秤不能盡快穩定下來是個急需改進的問題，可以借鑒庫侖扭秤的思想，在T支架下加類似制動盤的裝置．

1人教版2004年版物理教材3-1模塊.

2郭奕玲，沈慧君.物理學史.北京：清華大學出版社.

2016-02-18)

*北京市“十二五” 教育科學規劃課題基礎教育研究“高中物理低成本實驗教具輔助教學的研究”的研究成果,課題批準號：DBB11064