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生活中有许多被我们忽视的物品,只要巧妙加以改造,便可以为我们所用,利用这些物品设计出十分巧妙的物理实验,便是一大用途。例如,利用香烟盒中金属箔的物理特性,就能让它在物理实验中大显身手。下面就介绍三个用金属箔进行改进的实验。
一、巧用金属箔突破“磁场对电流作用实验”难题
如图1所示为学校实验室配备的“通电直导线在磁场中受力”演示实验装置,这个实验不易做成功,有时甚至上课前还能做成功。可是到了上课要演示时,导体铜管却一动不动。
认真分析上述实验可知,实验难以成功的原因是:导体铜管与导轨间的摩擦力相对于它受到的磁场力要大,当电流达到3A时,现象不明显,若继续增大电流时,由于铜管与导轨是点接触,电阻较大,产生的热量多,将导致接触部分冒“火花”,接触处先轻微熔化后凝固,“焊接”在一起,这时再要使铜管运动,更是难上加难。
采用金属箔完成上述演示实验能够取得好的效果,具体做法如下:
改进方案 (1)首先从空香烟盒中小心将金属箔取下来,用小刀裁成长19 cm×6 cm的规格,将金属箔卷在细长的试管上,接口处用强力胶水粘牢,待胶水干后,将试管从箔管中慢慢抽出,即制成了一根十分理想的“直导线”,它可代替原装置中的铜管。
(2)在原装置粗铜导线做成的两根导轨上面也包上金属箔。实验时将箔管放在包有金属箔的导轨上,只要用一节干电池,箔管就能在箔导轨上自如滚动。
这时若用万用表测量电路中箔管和箔轨间的接触电阻,阻值大约为70 Ω左右,所以实验时不会造成短路,也无需串联滑动变阻器。
由于改进后的实验装置构成材料易得,其中导轨只要用两根刻度尺包上金属箔平放架空即可,这样不但使得原本较难完成的实验能轻易地做成,而且可以使演示实验变为学生随堂实验,让每一位学生都能参与实验探究活动。通过改进实验方案,不仅可以提高实验的成功率,还可以大大地激发学生的学习兴趣和探索欲望,为后续电动机原理的学习做好铺垫。
二、巧用金属箔突破“电流间相互作用实验”难题
各版本的高中物理教材中都有“电流间相互作用”的演示实验。如图2所示,在支架上平行固定两条直导线,当通以方向相同的电流时,两导线相互吸引;当通以方向相反的电流时,两导线相互排斥。为防止导线烧坏,两条导线中电流不可能太大,因此相互作用力很小;再加上导线两端被固定,受导线自身张力的影响,电流间相互作用力而产生的形变也很微弱,根本观察不到吸引或排斥现象。而且因为两导线位置固定,间距不能调节,这也是造成实验现象不明显的缘故。相关刊物上曾刊载过关于该实验的各种改进方法,但效果都不十分理想。
那么,能否设计一个制作简便、操作容易的实验装置呢?笔者对该实验进行了如下改进,实验现象十分明显。
在上述图1所示实验装置中撤去蹄形磁铁,导轨用两根平放的刻度尺包上金属箔架空做成,并在金属箔导轨上放上两根上述自制的空心金属箔管,使两金属箔管间保持适当距离(如下页图3),在两导轨右端接上电源,由于空心金属箔管很轻,箔管与金属箔导轨又是线接触,接触良好,所以导电良好。实验时只要用6节新干电池对两管中通以相同方向的电流,就可以明显地看到两管因相互吸引而靠近。
同样,演示“电流方向相反,导线相互排斥”现象时,只要在如图4所示装置中将两金属箔导轨A、B位置的金属箔挖空断开,并在两导轨左端也连上电源,这时,即可明显地看到两管相斥而相互远离。
三、巧用金属箔突破“制作电动机”实验难题
上述“磁场对电流间作用”实验揭示了电动机的工作原理,教学中可以引导学生制作一台小型电动机。
但若按课本介绍的方法,让学生用漆包线来制作,制作工艺十分复杂。笔者与学生一起利用金属箔制作了金属箔电动机,制作方法如下。
取一张19 cm×3 cm(香烟盒中得到)金属箔,它的正面是金属物质,反面是纸,将其反面朝下置于桌面上,如图5所示,将金属箔折成三折,就成为如图6所示的一叠长方条,最顶层一面刚好是金属物质,而与桌面接触的最底层那一面恰好是纸。在中央用缝衣针扎一个轴孔,并按图6所示的尺寸(单位:cm)等分好,沿等分线折起,成为一个矩形箔圈,让圆珠笔心分别与箔圈两个端头接触,用手捏两端头,使它们都成为半圆弧,让左边半圆弧覆盖在右边的半圆弧上后(如图7),用细线在上面绕两圈扎紧,然后将圆珠笔心抽出,这样一个箔圈自带的极为理想的换向器就巧妙地做成了。
这是因为左边半圆弧是纸的那一面恰好与右边半圆弧金属物质的这一面接触,纸有绝缘性能的缘故。
把这个矩形箔圈照图8所示架在由火柴盒和缝衣针做成的支架上,再折两条金属箔条作为电刷,用两块铁片弯成弧状,中间夹上一块从收音机废喇叭中取下的永磁体,这样,仅用一只于电池通电就能灵活转动的一台电动机就做成了。
让学生通电实验几次,分别将电池两极互调和将永磁体的两极对调一下,观察纸圈转动的情况有什么不同。
上述换向器的制作十分巧妙,这是一位学生想出来的,有位教师看后惊叹:我们的学生连电动机这么复杂的装置都能用金属箔轻而易举地制造出来,还有什么实验不能做成功?可见,学生的创造力是无限且惊人的。
为了说明电动机的原理,课本以一匝矩形线圈用手让它在磁场中转动来说明。实际上,使一匝通电线圈在磁场中转动起来是比较困难的,而这个简单的矩形箔圈就能做到这一点,学生能直观地观察理解电动机线圈的转动规律。
以上三个利用日常生活中的废旧物品解决实验难题的范例告诉我们,应该用探究的目光去思考、去探究,我们身边可利用的实验资源十分丰富,只要我们善于用心思考,具备创新的意识,实验方法将是无穷的。在教与学的过程中,也会不断有惊喜发生。