正文 第14章 壓力與壓強實驗的操作與改進設計(1)(2 / 3)

由於一般實驗中平底玻璃管重心高,空管浸入液體必然呈不穩定狀態,即使加以少量砂子,這種不穩定狀態還是不能消除,直至加足夠的砂子,使管口接近液麵,平衡才逐漸轉向穩定狀態,但此時稍不小心,玻璃管就可能整個兒地沉入液體。對於初做實驗的八年級同學來說,要掌握將這種不平衡狀態調節成穩定平衡狀態的實驗技巧,困難無疑是很大的,致使實驗中普遍出現玻璃管或是傾倒,或是沉沒。而一旦液體沾濕玻璃管,砂子則粘於內壁,使玻璃管的重心提高,實驗就更加困難。

實驗區太短的問題

從第一問題討論中也可以知道,要使玻璃管達到穩定平衡,必須加上相當數量的砂子,這時整個管子重量必然增大,浸入液體的深度也必然增大,因而留在液麵以上的實驗區域相對來說顯得很短,以9厘米左右的平底玻璃管為例,穩定以後留下的實驗區域實際上隻有2厘米。

在如此短的實驗區中要做三次測量,並使浸入液體的深度成倍增長,顯然是不可能的,實際上,增長係統一般達到13左右。對於八年級學生來講,所謂成正比往往是從深度增長1倍、2倍,壓強也隨之增1倍、2倍,來比較直觀地理解的,而這整數倍關係顯然無法做到,致使學生在完成實驗後歸納結論時感到困難。

計算量大的問題

由於該實驗是一個定量實驗,需要學生進行大量的計算,特別是由於新課本采用國際單位製,計算更加顯得繁複。

在進行該實驗時,由於平底玻璃管規格各不統一,無論是就一位學生的底麵積計算,把以克為單位的質量轉化為相應的重量計算,或者是就全班學生的計算數據的統一而言,教師都感到混亂而無法控製。

以上三個問題關鍵在於平底玻璃管往往是隨意選擇而不是為該實驗專門設計研製的,因而就帶來了許多困難。為此,我們為該實驗專門設計了“低重心平底玻璃管”,有效地解決了以上三個矛盾。

新設計的平底玻璃管其最大特點是重心低,整個玻璃管采用極薄的塑料圍成,底部配有金屬片,用以降低管子的重心。原則上重心越低越好,但無限製地降低重心是不可能的,那麼究竟應該把重心降到什麼位置呢?首先,我們希望空管放入液體中即可穩穩地停在液麵上,而空管浸入深度不宜過大,這是為了要留出足夠的實驗區,假設玻璃管全長105厘米,為了使第二次實驗、第三次實驗管子浸入液體的深度與第一次實驗相比能有成倍的增長,那麼空管浸入深度要保證不超過總長的二分之一,即約35厘米左右,理論指出,這時的浮力作用點位於離底部25厘米左右處。要使這時玻璃管處於穩定平衡,玻璃管的空管重心必須低於25厘米,這在技術上是相當高的要求,經多次試驗,我們終於把重心降到25厘米以下。

為了減少計算量,在計算底麵積時有意識地將半徑定為1厘米,底麵積立即可算出等於314厘米2,這樣就減少了一次計算量。

前麵已經分析,我們希望空管浸入液體時穩定在5厘米左右處,為了減少計算量,我們有意識地選擇空管浸入深度不超過48厘米,並選擇32厘米處作為第一次實驗的參考位置。定48厘米位置是由於使這時玻璃管浸入液體體積正好為15厘米3,浮力正好等於質量為15克物質的重量,這就第二次減少了計算量。第二次測量、第三次、第四次測量的相應位置地隨即可以確定,它們應分別位於64厘米處、80厘米和96厘米處,相當於玻璃管浸入液體體積為20厘米3、25厘米3、30厘米3整個玻璃管製成以後,保證即使在空管浸入液體時,穩定程度也極好;由於空管管量控製在15克以下,所以空管浸入深度保證不超過48厘米,留出的實驗區占整個管子總長度的50%,增長係數由一般平底玻璃管的13提高到20;由於玻璃管本身是專門設計,注意到了計算方便問題,使學生實驗能順利地在一節課內完成。

同樣,該低重心平底玻璃管也適用於另一個學生實驗——研究物體浮在液麵的條件。

清潔水銀的幾種方法

水銀是物理實驗的常用材料,往往由於使用不當或者使用時間較長,使幹淨的水銀變為汙濁,影響實驗效果。如何清潔已玷汙了的水銀,應根據水銀受汙的情況和實驗室的設備,采取以下幾種相應的方法。

過濾法

這種方法可以清除沾染在水銀表麵而又不為水銀溶解的雜質以及部分水分。