第二届教学节物理学科周系列活动之二“玩转物理”实验活动纪实

作者:李志强 张杰 来源:物理组 发布时间:2018年05月25日 点击数:

华师一附中物理教研组借助第二届教学节物理学科周的机会策划了这次“玩转物理”实验活动。一名“贪玩”的老师(指导老师:李志强)带着十一名“贪玩”的学生(高一20班:师楠,毛瑞琪,王心宇。高一22班:曾逸飞,张明阳,吴嘉名,文豪,陈家尧。高一24班:廖梓宇,姜来,吴骐潇),用力学、电磁学、热学等不同领域的方法使物体转动起来,名为“玩转物理”。

    下面我们就来看看这些物体具体是怎么转动起来的。

一、粒子打在叶片上,推动风车转动(如图热风车、阴极射线风车)。

 

 

 

风车会转,是气流作用的结果。热风车,就是利用取暖器加热空气,热空气上升,冷空气下沉形成气流,空气推动风车转动。

电子流撞击涂有荧光的金属片,也会使金属叶片闪闪发光地旋转起来。这就是炫耀的阴极射线风车。

二、反冲“风车”(如图)

 

 

我们知道大炮发射炮弹,炮弹向前飞出的同时,炮身会向后退。这是反冲现象。利用反冲现象。又有了喷气小飞机-----用电机带动螺旋桨转动,螺旋桨向后推动空气,从而使飞机获得向前的推力。

将锡箔纸做成张开的伞状,并将尖角都像一个绕向折转,将伞状锡箔纸用带有绝缘底座的金属细杆支撑起来,金属杆与高压感应圈相连,接通电源。利用尖端放电,通俗地讲就是,锡箔纸的尖端向外释放电荷,从而获得向相反方向的推动力,锡箔纸伞就会转动起来。

有固定转轴的圆锥形漏斗,漏管是安装在锥尖处的"S"形细管,在漏斗中装水,水从细管沿水平方向喷出时,漏斗就获得与水流方向相反的作用力,漏斗便转动起来。

三、磁场的安培力推动“风车”(如图

 

结构最简单的直流电动机:用一节5号电池,两块磁铁,一根铜丝就可以做成结构最简单的直流电动机。

旋转的液体:用铜丝和易拉罐分别连接直流电源的两极,硫酸铜溶液作导体,将装有上述材料的塑料瓶放在一块磁铁上,通电后,硫酸铜溶液便旋转起来。

四、电磁感应现象(如图

 

 

将蹄形磁铁绕对称的固定轴转动,处于磁场中的铝框就跟随磁铁转动起来,这就是最简单的异步电动机的。

用带铁芯的线圈和一个铁块,错开一些放在可以自由转动的铝盘上下,线圈中同上交流电,由于电磁感应,就在铁芯和铁块之间等效形成一个移动的磁场。铝盘就会平稳地转动起来。老式电唱机就是这样工作的。

用单相交流电、经过电感线圈、或经过电容器,可以构成三相交流电磁场,从效果上看,就构建了一个旋转的磁场,处于其中的小磁针就快速地旋转起来。

、神奇的磁悬浮陀螺(11

构建一个这样的磁场,中间弱,四周强的磁场。选择合适重量的铁磁性陀螺,在适当的高度旋转,就会有一个小的区域,陀螺的重力和受到的磁场力在竖直方向上平衡。陀螺可以悬浮在一定高度。同时受周围磁场的束缚,陀螺在一个小的“碗底”区域旋转。这个陀螺不需要什么力来维持他的转动,只需要磁场力与重力平衡,将陀螺能悬浮起来,这样空气的阻力足够小,陀螺就可以尽情地转下去。

 

 

 

说着容易,做起来难。比如磁悬浮陀螺的实验,就需要精细底座的倾角和调整陀螺的配重,以求“一碗水端平”。装置附近的任何磁场都会对实验产生影响。这需要超乎常人的耐心和敏锐的观察力。最终,王心宇同学通过长时间摸索和调试,成功实现了陀螺悬浮。从开始的几天到后来一两个小时的调试时间,最后缩短为二十分钟的调试时间。功夫不负有心人。王心宇似乎摸索出了陀螺的脾气,但要从理论上彻底弄明白,还有一些距离。目前所查资料的解释也是莫衷一是。

有些实验原理很清楚,但从原理到实现是一个艰苦的过程,是对老师和同学耐心、智慧、毅力的考验。在一个雨夜,师生第一次拿着三个准备好的电磁学实验器材到实验室调试,结果是三个实验全部失败。在接下来半个月日子里,师生利用空余时间对实验的各个环节一一排查,终于看到了初步效果。在准备实验的过程中,这样的失败经历常常发生。值得一提的是其中最困难的一个实验:三相交流电机演示。师生按照常见的三相交流电机原理的演示方法进行实验,中央区域的小磁针总是被磁场锁定在一个方位,而不是按照预期旋转起来。期间,同学更换了用到的电容、电感、三相电机的线圈,调整了各种元件的参数,但磁针依旧转不起来。由于这个实验的困难,整体的录制计划被耽误了1-2周,甚至还想过要放弃这个实验。最终,师生从基本原理出发来寻找突破口,三相交流电机的原理很容易理解,但由于实验电路中电感的参数不易获得,而且实验电路的裂相效果不好评估,对于应该更换哪些元件,应该选用怎样的参数,实验者并不清楚,只能在手边可以得到的元件范围内进行随机组合。如果运气不好,这种尝试将很难达到良好效果。然而,从理论上推导元件参数又过于繁杂,无法进行。最终,他们想到用电路仿真软件进行模拟,在仿真软件中改变参数,分析各个参数对结果的影响,就能找到最关键的参数。果然,经过1个晚上的仿真之后,他们发现模拟三相电机的线圈电阻对裂相效果影响很大,电阻必须很小。这个原因是之前从来没有想到的。对于机理有了充分了解后,问题很快就解决了,通过更换电阻很小的线圈,小磁针终于按照预期旋转起来了。

活动设计的11个实验有相当多一部分涉及到电磁学知识,而高一学生还没学完高中力学的一半内容,要想使实验顺利进行,就需要补充电磁学知识。对于有着超强学习能力的华师一同学们来说,学习任何超前的知识都不是问题。在一个晚自习的间隙,指导老师将同学们集合在一个空教室,将这11个实验的原理及可能的实现方案一一作了讲解,并给每一位同学分派了任务。老师要求他们利用手边的物理教材和读本等参考书,自学与自己实验相关的内容。从最后的实验展示结果看来,同学们对于自己实验涉及到的原理都已经理解清楚,充分证明了同学们的自学能力。

 

 

 

 

    视频录制和展示的过程是对同学们口头表达能力,动手能力,思维严谨性的很好训练。录制过程中常常出现忘词,前后逻辑不对等问题,重复录制是常有的事。

    总的来说,“玩转物理”活动是一次宝贵的经历,满足了同学们的好奇心和求知欲,促进了他们自学能力、实验能力、协作能力、表达能力等能力的提升,也有利于培养他们的耐心和毅力,并且给大家带来成就感和自信。在校园普及物理文化,物理知识,增进师生对物理的热爱同时也为教研组积累教学资源,此过程中制作完成的实验器材,录制的相应视频,都可以作为教师教学的资源,有利于后续的教学。希望以后的此类活动多多开展,让更多同学参与和收益。

                    

                                                     2018522日星期二

 


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