反沖實(shí)驗(yàn)儀的研究與制作

萬欣欣

摘 要：“反沖運(yùn)動”[1]是高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，學(xué)生很難理解此運(yùn)動。目前已有的反沖實(shí)驗(yàn)儀，均只能從直觀現(xiàn)象定性反映 “反沖現(xiàn)象”，并未有某一實(shí)驗(yàn)儀器可以清晰的定量分析“反沖現(xiàn)象”。本文在研究“磁懸式反沖實(shí)驗(yàn)儀”及普通反沖實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，制作了實(shí)驗(yàn)效果明顯的反沖實(shí)驗(yàn)儀器。可以更好地服務(wù)高中“動量守恒定律”教學(xué)，同時也使學(xué)生能夠從感性、理性兩方面去全面的了解、掌握“反沖現(xiàn)象”。

關(guān)鍵詞：反沖 動量守恒定律 實(shí)驗(yàn)儀 物理教學(xué)

中圖分類號：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0189-02

伴隨著2017年高考物理考試大綱[2]的修訂，已將高中物理選修3～5重新納入到高考必考部分，使“動量守恒定律”重新成為高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而作為“動量守恒定律”在實(shí)際生活中的運(yùn)用，當(dāng)然也變得至關(guān)重要。本文在研究普通反沖實(shí)驗(yàn)儀時，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器均是以水反沖或者是蒸汽反沖，只能粗略看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并未能定量體現(xiàn)出反沖現(xiàn)象。筆者通過改進(jìn)現(xiàn)有反沖實(shí)驗(yàn)儀器的同時制作了“反沖實(shí)驗(yàn)儀”，不僅效果明顯，并且可以定性分析反沖實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。此儀器可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握“反沖現(xiàn)象”。

1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計思想

對“磁懸式反沖實(shí)驗(yàn)儀”[3]（儀器如右圖1）而言，在蒸汽從噴嘴噴出時，由于氣體反沖作用，帶動整個自金屬球以下整個燒瓶轉(zhuǎn)動。磁鐵和金屬球之間由于磁力作用相互吸引，由于磁鐵球球切面和頂端磁鐵相連接使得噴氣反沖容易帶動金屬球以下燒瓶整體轉(zhuǎn)動。在此同時，暴露出兩個問題：其一，本實(shí)驗(yàn)儀器對金屬球和磁鐵之間磁性要求甚高，筆者在研究后認(rèn)為：本實(shí)驗(yàn)儀器，沒有磁懸必要，若在金屬球和頂端支架處系一根細(xì)線，在瓶身周圍做適宜固定裝置防止瓶身隨意擺動，同樣可以達(dá)到此實(shí)驗(yàn)儀器效果。其二，本實(shí)驗(yàn)由于采用原理是靠蒸汽，蒸汽質(zhì)量和噴出時速度都很難測量，在要求測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，難度很大。通過研究本實(shí)驗(yàn)儀器和一般反沖實(shí)驗(yàn)儀器[4]后筆者認(rèn)為：磁懸的目的是為了減輕反沖過程中的摩擦；目前的反沖實(shí)驗(yàn)儀僅能夠定性的演示反沖現(xiàn)象，卻無法從定量的角度演示，故筆者嘗試制作出了以下可定量測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反沖實(shí)驗(yàn)儀器“懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀”。

2 儀器結(jié)構(gòu)及原理

2.1 懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀

2.1.1 制作材料222

如圖所示實(shí)驗(yàn)儀器制作材料包括：塑料瓶、塑料板、鋼鋸、銼刀、細(xì)線、小刀、強(qiáng)力膠水、噴嘴、刻度尺、秒表、彈簧秤

2.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）制作如圖所示實(shí)驗(yàn)儀器。并用米尺測量甲、乙噴嘴至噴嘴中心半徑長度記為R甲，R乙。

（2）首先用手堵住噴嘴甲，將水裝至頂端刻度線，并用彈簧測力計測出此側(cè)面水的質(zhì)量m甲1；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側(cè)面當(dāng)水裝至頂端刻度線時的質(zhì)量m乙2；再次用用手堵住噴嘴甲，將水裝至底端刻度線，并用彈簧測力計測出此側(cè)面水的質(zhì)量m甲3；用同樣方式，測出噴嘴乙所在側(cè)面當(dāng)水裝至底端刻度線時的質(zhì)量m乙4；最后用分別記噴頭甲底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質(zhì)量為m甲，同理記噴頭乙底端刻度線和頂端刻度線之間所裝水質(zhì)量為m乙.

（3）首先用雙手堵住兩個噴嘴，將水分別裝入到塑料瓶的兩側(cè)，使水位達(dá)到刻度線一并且使兩側(cè)液面持平。

（4）同時松開堵住噴嘴的雙手，并開始用秒表對甲、乙兩噴頭計時，并數(shù)塑料瓶噴嘴甲、乙轉(zhuǎn)動圈數(shù)等兩側(cè)水位下降至底端刻度線時，停止計時。記轉(zhuǎn)動時間和圈數(shù)分別為t1，t2；n1，n2。重復(fù)實(shí)驗(yàn)求出t1，t2；n1，n2平均值，并計算出其周期T從而計算出線速度記為，。

（5）重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn)求平均值，再將噴嘴各個側(cè)面流出的水的質(zhì)量分別計算重力平均值對應(yīng)質(zhì)量記為m1，m2。

（6）驗(yàn)證動量守恒定律m1v1與m2v2的值近似相等則說明動量守恒。

2.1.3 儀器原理

通過甲、乙噴嘴所對應(yīng)下降的水位，測出實(shí)驗(yàn)過程中甲、乙噴嘴所對應(yīng)的流出水的重力從而測出甲、乙噴嘴所對應(yīng)下降的水位的質(zhì)量m1，m2。通過轉(zhuǎn)動圈數(shù)和時間，可以測量出甲、乙噴嘴轉(zhuǎn)動所對應(yīng)的周期分別為t1，t2。由圓周運(yùn)動公式線速度大小由V=R（）計算出甲、乙噴嘴轉(zhuǎn)動所對應(yīng)的平均線速度，.由于初始狀態(tài)沒有速度系統(tǒng)初動量為0，最后驗(yàn)證和的值若近似相等，由于速度方向相反，則，驗(yàn)證動量守恒定律成立。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表3。

結(jié)論：通過兩噴嘴噴出水的動量在允許誤差范圍內(nèi)，近似相等。說明此系統(tǒng)的動量守恒。

3 儀器制作過程改進(jìn)及反思

3.1 懸掛式反沖實(shí)驗(yàn)儀制作過程中的改進(jìn)及反思

為了使此實(shí)驗(yàn)儀器能更加完善，在制作過程中做了以下改進(jìn)。

（1）最初采用四個噴嘴，但由于四個噴嘴水流流速過快，實(shí)驗(yàn)時間較短，并且不易測量每個噴嘴的轉(zhuǎn)動圈數(shù)和時間，在實(shí)際操作中需要參與人數(shù)過多。最終采用2個噴嘴，但噴嘴變少，動力不足，所以將扁型噴嘴變?yōu)閳A形以增大水流量。

（2）為了更好地測量在轉(zhuǎn)動過程中兩個噴嘴流出水的質(zhì)量，決定將塑料瓶隔開。但在隔開過程中，很難估計塑料瓶口弧段部分隔開需要透明板大小，最終決定空隙部分灌入強(qiáng)力膠來密封縫隙。

（3）若在瓶轉(zhuǎn)動過程中，可能有一定晃動，決定在瓶底底部放一個固定瓶不大幅度晃動的鐵架臺。

（4）避免用兩根線來懸掛塑料瓶，在塑料瓶轉(zhuǎn)動過程中兩線交叉扭動，采用一根線懸掛塑料瓶。

4 儀器制作的意義

其一，作為演示反沖的演示儀器，其最終的目的是能突出其原理和過程并能定量得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使此實(shí)驗(yàn)儀器能更好的為高中物理教學(xué)服務(wù)。從制作儀器所需要的物質(zhì)來看，既要求所選的材料低碳環(huán)保、貼近生活，又要求盡量讓使用的材料使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯直觀，效果達(dá)到最佳，在高中物理階段，動量守恒定律是一個比較困難，比較抽象的知識點(diǎn)，在教學(xué)中應(yīng)該盡可能的通過實(shí)驗(yàn)的手段使學(xué)生真切的感知到此反沖現(xiàn)象的存在，從而讓學(xué)生從現(xiàn)象中挖掘物理知識及內(nèi)容，從而更加透徹的理解有動量守恒定律的知識，使學(xué)生能從生活走向物理，從物理回歸到生活。

其次，由生活中常見的材料所自制教具比起廠制儀器更能激發(fā)學(xué)生的動手欲望和創(chuàng)造性，更能讓學(xué)生感覺到科學(xué)與生活息息相關(guān)，更能有效的傳播非語言教育信息，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計的種種問題，都必須歸結(jié)到物理學(xué)的理論、思想、方法和教學(xué)論的思想兩個方面來進(jìn)行研究。自制實(shí)驗(yàn)教具，進(jìn)而發(fā)展學(xué)生和教師的主觀能動性是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要指導(dǎo)思想。

參考文獻(xiàn)

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