离心现象系列演示装置的设计与制作||实验研究
离心现象系列演示装置的设计与制作
河北省廊坊市大城县里坦镇初级中学
摘 要： 以机箱内无级调速电机为动力源, 承载一系列离心运动探究组件, 动态演示一系列奇妙的离心运动现象 ( (1) 固体和液体的分离; (2) 不同液体的分离; (3) 乳浊液的分离; (4) 悬浊液的分离; (5) 离心甩干; (6) 向心力与物体质量的关系; (7) 水漩涡; (8) 密度差离心现象; (9) 旋转离心筛选) , 直观形象地展示出离心运动的全过程。有效服务于人教版高中《物理 (必修2) 》第五章“曲线运动”第七节“生活中的圆周运动”中的演示教学和学生课外探究活动。
关键词： 向心力; 变速圆周运动; 离心运动; 演示与探究实验教学;
“生活中的圆周运动”作为高中《物理 (必修2) 》第五章“曲线运动”的一节重点内容, 要求学生首先要知道什么是向心力, 明确向心力与向心加速度的关系, 知道什么是离心现象, 明确物体做离心运动的条件, 然后应用牛顿第二定律列方程。本节内容是圆周运动有关知识的综合应用, 是牛顿第二定律的重要应用之一。因此, 笔者对日常生产生活中的一些离心现象进行实验研究, 设计制作出“离心现象系列演示装置”。通过教师演示和学生探究, 形象直观地展示出离心运动的全过程, 达到新课程对高中物理实验“培养学生的实验探究能力和科学探究精神”[1]的要求, 让学生体会到物理学在生产生活中的重要意义。
一、教具装置图 (图1)
图1 离心现象系列演示装置
二、仪器特点及用途
(一) 特点
本教具以机箱内无级调速电机为动力源, 转速稳定、平滑、无跳跃, 承载一系列用亚克力材料制作的透明的离心运动探究组件, 通过一系列具体、形象、奇妙的离心现象的演示, 提高学生对物理知识的应用及探究的兴趣。
(二) 用途
本教具可演示以下离心现象: (1) 固体和液体的分离; (2) 不同液体的分离; (3) 乳浊液的分离; (4) 悬浊液的分离; (5) 离心甩干; (6) 向心力与物体质量的关系; (7) 水漩涡; (8) 密度差离心现象; (9) 旋转离心筛选。
三、制作材料
充电电源、电动机、调速开关、透明有机玻璃板、透明有机玻璃管、弹簧、植物油、塑料小球、木球、弹簧、密度不同的圆柱体等。
四、设计制作技术参数和使用方法
(一) 旋转平台的设计
(1) 旋转平台的结构
箱体制作成一个长60cm、宽30cm、高18cm可调速的旋转平台。将充电电源、电动机、调速开关与箱体按图2进行组装。
图2 离心现象系列演示装置内部构造
(2) 旋转平台的设计参数
(1) 满足于各种探究组件的转速要求, 速度最大时不会对探究组件造成破坏。 (2) 锂电源供电安全可靠, 满足电机的功率要求。 (3) 调速采用无级调速, 平滑无跳跃。
(3) 使用方法
旋转平台可以竖直和水平使用。把探究组件安装好, 闭合电源, 调节速度, 演示离心运动的全过程。
(二) 离心运动现象探究组件的设计
(1) 固体和液体的分离装置
(1) 技术参数:用直径为27cm、高为2.8cm的有机玻璃管和有机玻璃板粘接而成。在其圆心处粘接一个内径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。内部装上密度大于水的塑料球和密度小于水、大于油的木球, 再添加蓝色水溶液以及植物油封闭。由于该装置是密闭的, 做圆周运动时向心力使四种物质维持在自己的圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。旋转时的变化过程如图3。
(2) 使用方法:把图3a这一探究组件安装在竖直放置的旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。当速度达到要求后可以观察到其内部物质的运动变化过程达到如图3c的效果, 最外层是密度最大的绿色塑料小球形成的绿色色环, 与其衔接的是密度小于塑料球的蓝色液体形成的蓝色色环, 在蓝色色环里层是密度小于蓝色水溶液棕色木质小球形成的棕色色环, 最内层是黄色的植物油形成的黄色色环, 中心是空气柱。
图3 固体和液体的分离装置内物质离心运动变化过程
(2) 不同液体的分离装置
(1) 技术参数:用直径为27cm、高为2.8cm的有机玻璃管和有机玻璃板粘接而成。在其圆心处粘接一个内径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。内部装上蓝色水溶液和植物油封闭即可。由于该装置是密闭的, 做圆周运动时向心力使分离出的两种液体维持在自己的圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。旋转时的变化过程如图4。
图4 不同液体的分离装置内两种液体离心运动变化过程
(2) 使用方法:把图4a这一探究组件安装在竖直放置的旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。当速度达到要求后可以观察到其内部物质的运动变化过程达到如图4c的效果, 外层是蓝色的水, 内层是黄色的油。
(3) 乳浊液的分离装置
(1) 技术参数:用直径为27cm、高为2.8cm的有机玻璃管和有机玻璃板粘接而成。在其圆心处粘接一个内径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。内部装玻璃水、植物油和0.5m L洗涤剂所混合的乳浊液封闭。由于该装置是密闭的, 做圆周运动时向心力使分离出的蓝色玻璃水和油维持在自己的圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。旋转时的变化过程如图5。
图5 乳浊液的分离装置内乳浊液离心运动变化过程
(2) 使用方法:把图5a这一探究组件安装在旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。当速度达到要求后可以观察到其内部物质的运动变化过程, 绿色的乳浊液逐渐变化为外层是比较薄的一层玻璃水, 中间是较厚的乳浊液, 内层是黄色的比较薄的油环。随着匀速高速旋转, 最后出现如图5c的结果, 外层是蓝色的玻璃水环, 里层是黄色的油环, 中心是空气。
(4) 悬浊液的分离装置
(1) 技术参数:用直径为27cm、高为2.8cm的有机玻璃管和有机玻璃板粘接而成。在其圆心处粘接一个内径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。内部装有筛选的微小泥沙颗粒和水形成的悬浊液封闭。旋转时的变化过程如图6。
图6 悬浊液的分离装置内泥沙水离心运动变化过程
(2) 使用方法:把图6a这一探究组件安装在竖直放置的旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。当速度达到要求后可以观察到其内部物质的运动变化过程, 随着旋转会观察到浑浊的泥沙水逐渐澄清, 最后出现如图6c的效果, 外层是泥沙颗粒形成的圆环, 里层是澄清的水, 中心是空气。由于该装置是密闭的, 向心力使泥沙和水维持在自己的圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。
(5) 离心甩干装置
(1) 技术参数:把直径为16cm、高为6cm的有机玻璃管作为外桶和直径16cm有机玻璃板粘接, 在底面中心处粘接一个内径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。在内部中心处粘接直径为10cm、高5.5cm的有机玻璃管作为内桶, 上口再粘上外径为16cm、内径为9cm的圆环, 用于防止水被甩出。因为水受到向心力, 向心力使水维持在外桶圆周轨道上, 不会沿圆周切线方向飞出。 (见图7)
图7 离心甩干装置
(2) 使用方法:先把这一组件安装在水平放置的旋转平台上, 再把含有水的海绵放置在内桶, 闭合电源, 调节速度。速度慢时, 海面中的水被甩出附在内桶下端。是因为水受到向心力, 向心力使水维持在圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。增大速度, 当做匀速圆周运动的物体所受合力突然消失或者不足以提供圆周运动的所需的向心力时就会逐渐远离圆心, 水沿内桶圆周切线方向甩入外桶, 吸水的海绵被甩干。
(6) 向心力与物体质量的关系装置
(1) 星形装置技术参数:把三根内径为1.9cm、长18cm的有机玻璃管成120°角组装在直径为6cm、高3.5cm、厚度为0.5cm的结构件上, 用于与旋转平台的连接。在三根管中分别装有体积相同的铜、铁、铝金属块, 发光指示灯 (红、绿、蓝) 和弹力相同的弹簧以及可供指示灯发光的电池 (如图8a、图8b) 。
(2) 使用方法:把探究组件安装在水平放置的平台上, 闭合电源, 指示灯发光, 红、绿、蓝指示灯与圆心距离相等。调节速度, 慢速时, 向心力和弹簧的弹力维持管内质量块在原来的位置, 红、绿、蓝指示灯重合在同圆的轨道上。增大速度, 当铜、铁、铝金属块所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力时, 金属块压缩弹簧。由于三根管内质量块质量不同, 对弹簧的压缩程度也不同, 这时由于视觉暂留, 会看到半径不同的红、绿、蓝色环, 指示铜块的色环最大、指示铝块的色环最小、指示铁块的色环在中间。继续增大速度, 在铜、铁、铝金属块所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力的情况下, 金属块压缩弹簧到极限值, 这时红、绿、蓝指示灯出现在同一轨道上, 形成三色叠加的大色环。这时因为金属块受到向心力, 向心力使金属块在圆周轨道上运动, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道 (如图8c) 。
图8 向心力与物体质量的关系星形装置组件结构
(3) 直管探究组件技术参数:用内径为3cm、长60cm的直管, 内部装上直径为2.95cm、长分别为5cm和2cm的圆柱体以及水, 把两端封装。在管的最中间加装直径为6cm、高3.5cm、厚度为0.5cm的结构件, 用于与旋转平台的连接。 (如图9)
图9 向心力与物体质量的关系直管探究装置
(4) 使用方法:把组件水平安装在旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。当圆柱体所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力时, 质量不同的圆柱体会沿直管远离圆心, 质量大的比质量小的圆柱体离开圆心的速度快。给电机加速, 两个圆柱体均被甩向最外端。因为圆柱体受到向心力, 向心力使圆柱体维持在直管两端的轨道上。
(7) 水漩涡装置
(1) 技术参数:用高18cm、直径为10cm、厚0.3cm的亚克力圆管, 粘接直径10cm的底, 底部圆心处粘接一个直径为6cm、高为3.5cm的结构件, 用于连接旋转平台, 内部装入一半的蓝色水溶液, 加盖封闭 (如图10) 。
图1 0 水漩涡装置离心圆周运动变化过程
(2) 使用方法:把水旋涡组件安装在旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。随着速度的增大, 水旋涡深度逐渐增大, 当速度最大时, 蓝色水溶液会在装置形成厚度均衡的液体环。这是因为当液体所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力时, 液体会沿直管远离圆心, 沿空腔圆周向上运动。由于上端加盖, 液体不会沿上口圆周切线方向甩出, 形成内径相同的液体环。
(8) 密度差离心现象装置
(1) 技术参数:把两根长30cm、直径为4cm的有机玻璃管成145°角粘接, 再与直径为6cm、长6cm、厚0.5cm的有机玻璃管粘接, 构成一个Y形管。长管内部装上水, 分别装上密度小于水的黄色小球和密度大于水的白色小球, 两端封闭。 (如图11)
图1 1 密度差离心现象装置
(2) 使用方法:把Y形管安装在旋转平台上, 闭合电源, 调节电机速度。因为白色小球密度大于水, 当它所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力时, 白色小球会沿直管远离圆心, 向管的外端运动, 而另一支管中黄色小球密度小于水, 水向外端运动占据小球的位置, 小球向管的里端运动。关停电机, 小球慢慢回复原位。
(9) 旋转离心筛选装置
(1) 技术参数:一个透明的圆台形, 上径为15cm、高为8cm, 下径为8cm的塑料盒, 在其底端安装一个固定螺丝组件, 连接直径为6cm、高为6cm的亚克力管件用于连接旋转平台。外部做一个直径为27cm、高为18cm的圆柱形加盖保护管。选取质量不同的黑、白色小球, 作为被筛选物 (如图12) 。
图1 2 旋转离心筛选装置
(2) 使用方法:把离心筛选装置安装在旋转平台上, 放入小球, 扣上保护管, 闭合电源, 调节速度。小球开始在装置内旋转而不会从装置中跑出。这是因为小球受到向心力, 向心力使小球维持在圆周轨道上, 而不能沿圆周切线方向飞离轨道。增大速度, 当小球所受合力不足以提供圆周运动所需的向心力时, 就会先后从离心筛选装置中沿上口圆周切线方向飞离轨道。
五、教学意义价值和在教学中的使用效果
新课程强调“将学习的重心从过分强调知识的传承和积累向获取知识的探究过程转化, 从学生被动接受知识向主动获取知识转化, 从而培养学生的探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的精神”。为此, 离心现象系列演示装置采用多元化学生实验探究和教师演示实验相结合的实验探究教学法, “通过实验教学, 使学生掌握基本的知识和技能, 体验科学探究的过程, 了解科学研究的方法, 增强创新的意识和实践能力”, 同时激发学生对物理学知识的探究兴趣, 亲身体验利用物理知识解决现实问题所带来的愉悦感。
本文来源于《教育与装备研究》2017年6期