初中物理小制作的探索与实践①
——以“力与密度综合测量仪”为例

纪甜甜 邵加民

(1.江苏省南京市科利华中学,江苏 南京 210037;2.南京师范大学,江苏 南京 210023)

1 引言

物理小制作是指利用物理知识和手工技能制作出具有一定功能或展示某种物理现象的小型物理装置。《义务教育物理课程标准(2022年版)》指出:提倡师生利用身边的物品、器具、材料等自主开发物理实验器材。[1]在初中物理教学中,引导学生开展小制作活动,能加深他们对物理知识的理解,强化物理学习的实践性,有利于学生动手能力和创新意识的培养。[2]

2 自制“力与密度综合测量仪”

在学生已经学会使用弹簧测力计测量力、使用密度计测量液体密度的基础上,思考力与密度之间的联系,在生产生活中能否利用综合测量仪,既能测量力又能测量密度,使测量仪器更具有实用价值。

据此确定创新实验主题,结合已经学习的物理知识,通过调查、咨询,选择身边的器材,尝试自制一个多功能测量仪,能同时测量力和密度。

2.1 器材选择

实验器材:铁架台、贴有白纸的木板、弹簧、钩码、刻度尺、小桶、量筒、水。

铁架台用于悬挂弹簧,贴有白纸的木板便于标注刻度,质量一定的钩码用于定标。

2.2 制作原理及操作要领

2.2.1 测力计部分

制作原理:在弹性限度内,弹簧受到的拉力跟弹簧的伸长量成正比。

(1) 测力计制作的难点在于标注刻度线。首先将贴有白纸的木板悬挂在铁架台上,在木板前方挂一个弹簧,让弹簧自由伸长,选取弹簧上合适的一点作为参考点,在白纸左侧记录该点的位置,作为弹簧测力计的零刻度点O1。

(2) 在弹簧下端悬挂一个50 g钩码,通过计算得出该钩码所受重力为0.5 N,此时弹簧被拉伸,记下参考点的位置,即为0.5 N对应的刻度位置。

(3) 增加一个钩码,记录参考点的位置,即为1 N对应的刻度位置,将0～1 N之间的刻度线等分10份可以得到0.1 N对应的刻度线位置,0.1 N即为自制弹簧测力计的分度值。

(4) 继续增加钩码,观察弹簧的形变程度,实验所提供的弹簧所能承受的最大拉力略大于2 N,因此自制弹簧测力计的量程为0～2 N。

2.2.2 密度计部分

(1) 制作原理

利用小桶、水、量筒在白纸右侧标注密度的刻度线。测量液体密度时,要求所测液体装至小桶标记处,利用等体积关系将不同液体的密度大小通过刻度线进行标注。

(2) 制作步骤

① 在弹簧的下端挂一个空的小桶,弹簧在小桶的拉力下伸长,利用自制的弹簧测力计能读出小桶所受的重力G0,依然选取弹簧上刚才的参考点,在白纸右侧记录该点的位置,作为密度计的零刻度O2。

② 在小桶做上标记,加水至标记处,挂在弹簧下端,读出小桶加水所受的总重力G1,在白纸右侧记录该点的位置,此处密度值为1.0 g/cm3。

③ 将小桶中的水全部倒入量筒中,测出水的体积V。

④ 如果液体的密度值为2.0 g/cm3,能够算出体积为V的此种液体所受的重力,从而在白纸右侧标记密度值为2.0 g/cm3的刻度位置。通过将零刻度O2和密度值为1.0 g/cm3的刻度线扩大两倍可以得到密度值为2.0 g/cm3的刻度位置。将零刻度O2和密度值为1.0 g/cm3的刻度线等分十份,则密度计的分度值为0.1 g/cm3(图1)。

图1

2.3 制作反思与改进

2.3.1 反思

根据学生汇报、呈现的结果,发现利用同一个弹簧在同一个木板上白纸左右两侧画出的弹簧测力计刻度值和密度计刻度值的零点位置不一样,密度计的零刻度线要低一些,这是因为提供给学生的小桶受重力作用,这也是本次实验设计的一个重要评分点;同时有些同学的刻度线是不均匀的,需要对精度提出相应要求。

2.3.2 改进

可以给学生提供记录更加方便的木板,增加实验的可操作性,同时提供大一些的弹簧,提供体积、质量不同的多个小桶,以增加弹簧测力计和密度计的量程,使自制的实验器材可用性更广泛,为此测量模型在日常生活、工业和农业方面的应用提供可行性。

(1) 利用左侧刻度测量力的大小

① 将被测物体挂在弹簧下端,待物体静止后,读出弹簧上的参考点在左侧刻度线的位置,即为该物体所受重力大小;

② 对挂钩施加一个力(小于2 N),从左侧刻度可以读出拉力大小;

③ 在水平面上拉着小物块做匀速直线运动,利用二力平衡条件,可间接测得滑动摩擦力大小。

学生总结:通过更换弹簧,可以标注更多刻度,增大测量范围,改进之后的自制测力计具有应用到生活生产中的实践意义。

(2) 利用右侧刻度测量液体密度

将待测液体装入小桶中,直至标记处,将装有液体的小桶挂在弹簧下端,静止后读出弹簧上的参考点在右侧刻度线对应的示数,即为该液体的密度大小。

学生总结:通过更换弹簧、减小小桶体积和质量,可以标注更多刻度,增大密度测量范围,改进后的密度计可应用到生产生活中。

3 拓展思考

进一步引导学生思考密度与体积、压强等物理量的关系,运用特殊测量的方法,将液体密度计进行改进,制成刻度均匀的密度计。旨在通过具有综合性、实践性、参与性的实验活动,引导学生从多视角探寻问题的解决方案,加深学生对物理知识的理解,调动学生学习的积极性,培养学生的核心素养。

一种方案是根据物质密度的概念,只要测量出物体的质量和体积,就能计算出该物质的密度。可以只用天平就能测出液体物质的密度,前提是待测液体的体积要保持一定。将砝码的质量除以体积,重新定标,这样就可以只用天平来测液体密度了,为了方便测量,可使待测液体的体积为定值,每次都装满某容器或将装待测液体的容器做成溢水杯,制成“密度天平”(图2)。制作方法如下:利用天平、烧杯和水(水的密度为ρ水),制作液体密度计,在烧杯外壁标记刻度线,对密度值进行标注。

图2

另一种方案是应用阿基米德原理,物体漂浮时所受重力与浮力平衡,即物体所受重力等于排开液体所受的重力。若让某物体漂浮在待测液体中,液体的密度越大,排开液体的体积就越小,这样,我们就可以用漂浮物体排开液体的体积来标注液体密度的大小。把一定大小的物体放在装有待测液体的量筒内,从量筒中液体液面高度的变化,测出物体排开液体的体积,在量筒上进行刻度标注,制成“量筒式液体密度计”(图3)。制作方法如下:利用量筒、烧杯和水(水的密度为ρ水),在量筒外壁标记刻度和密度值。

图3

4 结语

在初中物理小制作活动中,学生通过探索和制作,能直观地感受到物理现象和规律的美妙,激发了学生对物理学习的兴趣和热情,提高了学生的物理学科核心素养。