對微小形變演示實驗設(shè)計的一些思考

趙慧

摘要：目前中學(xué)采用的微小形變演示實驗主要可以分為光學(xué)放大法、力學(xué)放大法和電學(xué)放大法，通過對已有實驗的歸納總結(jié)，不斷設(shè)計更多新的演示實驗，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，

關(guān)鍵詞：微小形變;演示實驗;光學(xué)放大;力學(xué)放大

1 從已有實驗獲得的靈感

1.1 光學(xué)放大法

光學(xué)放大法又稱為光杠桿放大法，人教版高中物理教材采用的即是這種方法.該實驗的基本原理如圖1所示，一束激光通過M和N兩面平面鏡的反射，會在較遠(yuǎn)處的墻壁上形成一個光點.當(dāng)對桌面施加一個向下的壓力，兩平面鏡會向中間產(chǎn)生微小傾斜，激光最初的入射光線方向不變，那么它與平面鏡M之間的入射角以及反射角就會減小，同樣在平面鏡Ⅳ上的入射角和反射角也會減小，從而墻上的光點就會下移.這里入射角和反射角的同時減小對微小形變進(jìn)行了第一次放大，實驗時增大平面鏡與墻壁間的距離可以對微小形變再次放大，這樣就會觀察到光點發(fā)生了明顯的移動.

1.2 力學(xué)放大法

（1）利用容器體積的變化來放大物體的微小形變

如圖2所示，通過擠壓橢圓玻璃瓶觀察細(xì)管中液柱高度變化，來觀察物體的微小形變也是一種常用的方法.在該實驗中，對玻璃瓶長軸的兩端施加壓力，玻璃瓶容積增大，細(xì)管中的水柱將會下降;對玻璃瓶短軸的兩端施加壓力，玻璃瓶容積減小，細(xì)管中的水柱將會上升.這里容器變化相同的體積，細(xì)管相對于玻璃瓶來說，橫截面積較小，那么液面高度變化就會相當(dāng)明顯，從而達(dá)到將玻璃瓶的微小形變加以放大的目的.

（2）利用指針的旋轉(zhuǎn)來放大物體的微小形變

圖3是筆者參照天津市咸水沽第一中學(xué)劉鋼老師，在《顯示堅硬物體受力時發(fā)生微小形變演示實驗的嘗試》一文中的實驗，利用身邊常見的物品制作的一個簡易桌面微小形變演示儀器.A和B是兩個裝有石頭的薯片盒，A上面固定一玻璃棒，B上面貼有帶刻度的半圓紙片，折成直角的細(xì)鐵絲放在B上面.當(dāng)向下按壓桌面，A向內(nèi)傾斜帶動玻璃棒向右移動，和玻璃棒接觸的C段鐵絲發(fā)生滾動，隨之D段鐵絲發(fā)生轉(zhuǎn)動.這樣學(xué)生就能通過觀察D段鐵絲的轉(zhuǎn)動，來顯示桌面的微小形變.同時還可以通過觀察鐵絲轉(zhuǎn)動角度的大小，來比較壓力的大小與桌面微小形變量之間的關(guān)系.

1.3 對已有演示實驗的思考

以上介紹的三個實驗主要是從光學(xué)和力學(xué)的角度，對物體的微小形變加以放大.此外還有人利用電阻應(yīng)變片，將物體的微小形變轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變化，并通過運算放大電路來放大電信號，從而表明微小形變的存在.顯然這些實驗盡管形式不同，其核心的設(shè)計邏輯都是物理實驗中常用的轉(zhuǎn)換法，即先將物體不易觀察的微小形變，轉(zhuǎn)換成其它易于操作處理的物理變化，然后對該變化加以放大，最終讓學(xué)生觀察到某一個物理量所發(fā)生的明顯變化.從這樣的思路出發(fā)，可以預(yù)見物體的微小形變，必然還可以轉(zhuǎn)換成更多的其它物理量的變化.受此啟發(fā)筆者設(shè)計了如下一個簡明有效的演示實驗，來演示微小形變的存在.

2 實驗設(shè)計

本實驗的設(shè)計原理主要是將堅硬物體的微小形變轉(zhuǎn)換成電路的通斷變化，如圖4所示，演示儀左邊是一個支架，上面插有一根細(xì)鐵絲.中間是一塊玻璃板，上面放有一根鐵釘，在玻璃板的下表面用一塊小磁鐵將鐵釘固定在玻璃上（圖上未畫出）.支架上面的鐵絲和玻璃板上面的鐵釘處于剛好接觸的狀態(tài)，右邊是一個固定在木板上面的基本電路，包括電源、開關(guān)和小燈泡，該電路通過導(dǎo)線與鐵絲和鐵釘連接在一起，從而形成閉合電路

對于該演示儀，當(dāng)我們閉合開關(guān)，小燈泡就會發(fā)光，接下來用手指輕壓玻璃板，小燈泡隨即熄滅，這是由于玻璃板發(fā)生了微小形變，使原來剛好接觸的鐵絲和鐵釘分離，此時電路處于斷路狀態(tài).手指不再施加壓力，鐵絲和鐵釘再次接觸，燈泡也再次亮起來，這樣就可以將玻璃板的微小形變，轉(zhuǎn)換為電路的通斷變化.另外由于中間的玻璃板是可以拆卸的，所以進(jìn)行實驗演示時，我們還可以將玻璃板換成其它材料，進(jìn)行同樣的操作，會發(fā)現(xiàn)所有的材料都會發(fā)生微小形變.該演示實驗亦采用了轉(zhuǎn)換法，且實驗原理和操作簡單，可以有效的幫助學(xué)生理解微小形變的存在.

3 小結(jié)

理論和實驗是推動物理學(xué)前進(jìn)的雙腿，缺一不可，要真正做好物理教學(xué)，實驗是必不可少的.加強(qiáng)對實驗的開發(fā)和改進(jìn)，一方面能夠從學(xué)生的實際情況出發(fā)，提升教學(xué)效果;另一方面也能讓教師更加深入、全面的認(rèn)識實驗，提升自身的教學(xué)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]課程教材研究所.物理課程教材研究開發(fā)中心.人教版高中物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]劉鋼，潘少利.顯示堅硬物體受力時發(fā)生微小形變演示實驗的嘗試[J].教學(xué)儀器與實驗，2014，30（09）：28 -29.