书城科普读物动手做实验丛书--力学实验改进设计实践
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第14章 压力与压强实验的操作与改进设计(1)

在室内演示帕斯卡的实验

单纯地介绍帕斯卡的木桶实验仍有部分学生半信半疑,因此,我们采取了以下的模拟实验,效果良好。拿一个壁上有几个小孔的容器,将容器内倒满水(预先测定要装入的水的质量),让学生看此时水并不从小孔内喷出,然后拿一个带有漏斗的细长玻璃管(30cm以上即可)。在管下端用纱布缠紧(注意不要堵住管口)。把缠有纱布的下端插在容器的上部开口处,以插紧不易松动为宜。然后向漏斗内倒水,在倒入约6克水时就可使容器内的水向四面八方喷射。从这实验中,同学们可以真正认识到液体压强与液柱组细无关。

演示潜水艇模型的改进

实验器材

无色透明饮料瓶一只(直径21厘米),大号气球一只,医用废输液皮条一根,废铁块、用小电动机组装成推进器一套、万能胶水、五号电池(两节)。

江苏灌云县同兴中学陆庆节老师的设计如图1所示,在饮料瓶底部开一小孔(直径2厘米,排水用),中部开小孔并装套上红色气球,气球口套在废输液皮条上,并扎紧不漏气,接头部分用万能胶粘牢并密封,用细铁丝或万能胶把配重铁块和推进器固定在瓶的下部,按图装配好。

实验方法

演示时,打开小电机开关,使推进器转动,将该装置放入较大的盛水透明容器中,由于水慢慢的进入“艇”内,“艇”自身重力发生变化,“艇”作飘浮、悬浮、下沉三种情况推进,然后用手持两用气筒向气球内打气,气球体积增大(用嘴给气球吹气,达到同样效果)。把瓶内部分水慢慢排出,“艇”自身重力减小,当重力等于浮力时,“艇”悬浮于水中推进,当自身重力减小到小于浮力时,则“艇”上浮后将漂浮于水面推进,气球内气体排出后可以重复上述实验。

优点:本教具取材简单,制作容易,可以反复演示等。演示时,学生根据红色气球体积的变化,清楚的观察到排水量的变化过程,从而加深对“潜水艇潜入水下和上浮是靠改变自身重力来实现”的理解,另外,由于安装了推进器,使得“艇”在整个演示过程中向前推进,增加了实验的实际性和趣味性,实验过程中学生兴趣浓、课堂气氛活跃,对知识的理解和记忆效果极桂。

简易压强计的制作及相关实验

简易压强计

设计:

注射器及瓶子上部封闭一定质量的气体。

(1)活塞左移,气体体积缩小,压强增大,可见红色水柱上升,气球膨胀,一半水一半气。

(2)活塞右移,气体体积增大,压强减小,可见红色水柱下降,气球收缩。

特点:可根据水柱上升、下降及小气球膨胀、收缩来判断气体压强的增大或减小。

减压沸腾实验的改进(1)减压沸腾教材中用刚刚停止沸腾的水。下述实验用82℃-85℃的水,方法是两次抽气、两次减压、装置如图3。

①瓶上方空气约120-150cm3,先测水温,之后盖上盖子。

②第一次抽气后,开关闭合,取下注射器,复位活塞,再进行第二次抽气,可见82℃~85℃的水剧烈沸腾。

(2)简易压强计与减压沸腾的配合。

容器中封闭着一定质量的液体。

实验前可先使活塞微微往复运动,从液柱升降说明容器中气体压强相等。

上述实验亦可改为图5装置演示。

简易压强计

①容器中封闭着一定质量的气体。

②活塞上移,体积减小,压强增大,简易压强计的液柱上升,气球膨胀,一半气一半水,沸腾停止。

③活塞下移,体积增大,压强减小,简易压强计的液柱下降,气球收缩,沸腾。

注意:实验中使水“微开”,活塞运动要缓慢,步骤②完成后,马上撤去酒精灯。

低重心平底玻璃管

学生实验——研究液体内部压强与深度的关系是八年级课本中十分重要的一个实验。它的基本原理是将装砂的平底玻璃管稳定在液体内部的一定深度处,通过二力平衡的关系根据玻璃管总重量求出液体对管底向上的压力,再测出管底的面积,算出该深度处液体的压强。分别在不同深度处进行数次测量,得出液体内部压强与深度成正比的结论。

多数八年级老师反映,该实验是学生实验中困难较大的一个实验。它主要存在以下三个问题平底玻璃管的稳定问题

由于一般实验中平底玻璃管重心高,空管浸入液体必然呈不稳定状态,即使加以少量砂子,这种不稳定状态还是不能消除,直至加足够的砂子,使管口接近液面,平衡才逐渐转向稳定状态,但此时稍不小心,玻璃管就可能整个儿地沉入液体。对于初做实验的八年级同学来说,要掌握将这种不平衡状态调节成稳定平衡状态的实验技巧,困难无疑是很大的,致使实验中普遍出现玻璃管或是倾倒,或是沉没。而一旦液体沾湿玻璃管,砂子则粘于内壁,使玻璃管的重心提高,实验就更加困难。

实验区太短的问题

从第一问题讨论中也可以知道,要使玻璃管达到稳定平衡,必须加上相当数量的砂子,这时整个管子重量必然增大,浸入液体的深度也必然增大,因而留在液面以上的实验区域相对来说显得很短,以9厘米左右的平底玻璃管为例,稳定以后留下的实验区域实际上只有2厘米。

在如此短的实验区中要做三次测量,并使浸入液体的深度成倍增长,显然是不可能的,实际上,增长系统一般达到13左右。对于八年级学生来讲,所谓成正比往往是从深度增长1倍、2倍,压强也随之增1倍、2倍,来比较直观地理解的,而这整数倍关系显然无法做到,致使学生在完成实验后归纳结论时感到困难。

计算量大的问题

由于该实验是一个定量实验,需要学生进行大量的计算,特别是由于新课本采用国际单位制,计算更加显得繁复。

在进行该实验时,由于平底玻璃管规格各不统一,无论是就一位学生的底面积计算,把以克为单位的质量转化为相应的重量计算,或者是就全班学生的计算数据的统一而言,教师都感到混乱而无法控制。

以上三个问题关键在于平底玻璃管往往是随意选择而不是为该实验专门设计研制的,因而就带来了许多困难。为此,我们为该实验专门设计了“低重心平底玻璃管”,有效地解决了以上三个矛盾。

新设计的平底玻璃管其最大特点是重心低,整个玻璃管采用极薄的塑料围成,底部配有金属片,用以降低管子的重心。原则上重心越低越好,但无限制地降低重心是不可能的,那么究竟应该把重心降到什么位置呢?首先,我们希望空管放入液体中即可稳稳地停在液面上,而空管浸入深度不宜过大,这是为了要留出足够的实验区,假设玻璃管全长105厘米,为了使第二次实验、第三次实验管子浸入液体的深度与第一次实验相比能有成倍的增长,那么空管浸入深度要保证不超过总长的二分之一,即约35厘米左右,理论指出,这时的浮力作用点位于离底部25厘米左右处。要使这时玻璃管处于稳定平衡,玻璃管的空管重心必须低于25厘米,这在技术上是相当高的要求,经多次试验,我们终于把重心降到25厘米以下。

为了减少计算量,在计算底面积时有意识地将半径定为1厘米,底面积立即可算出等于314厘米2,这样就减少了一次计算量。

前面已经分析,我们希望空管浸入液体时稳定在5厘米左右处,为了减少计算量,我们有意识地选择空管浸入深度不超过48厘米,并选择32厘米处作为第一次实验的参考位置。定48厘米位置是由于使这时玻璃管浸入液体体积正好为15厘米3,浮力正好等于质量为15克物质的重量,这就第二次减少了计算量。第二次测量、第三次、第四次测量的相应位置地随即可以确定,它们应分别位于64厘米处、80厘米和96厘米处,相当于玻璃管浸入液体体积为20厘米3、25厘米3、30厘米3整个玻璃管制成以后,保证即使在空管浸入液体时,稳定程度也极好;由于空管管量控制在15克以下,所以空管浸入深度保证不超过48厘米,留出的实验区占整个管子总长度的50%,增长系数由一般平底玻璃管的13提高到20;由于玻璃管本身是专门设计,注意到了计算方便问题,使学生实验能顺利地在一节课内完成。

同样,该低重心平底玻璃管也适用于另一个学生实验——研究物体浮在液面的条件。

清洁水银的几种方法

水银是物理实验的常用材料,往往由于使用不当或者使用时间较长,使干净的水银变为污浊,影响实验效果。如何清洁已玷污了的水银,应根据水银受污的情况和实验室的设备,采取以下几种相应的方法。

过滤法

这种方法可以清除沾染在水银表面而又不为水银溶解的杂质以及部分水分。

最简单易行的方法用几层清洁的脱脂纱布(医用纱布可用)将玷污的水银包起来,放在玻璃或陶瓷的器皿中(千万不要用普通金属容器来盛水银),轻轻地挤捏,干净的水银微粒就从纤维缝中挤出,积聚在器皿中。这种方法的缺点是水银损耗较大,水银是十分昂贵的,所以这种清洁法不够理想。

常用的过滤法是将滤纸(如用绸布代替滤纸则效果更好)卷成圆锥形,用针在锥顶处戳几个小孔,放入玻璃漏斗中,把玷污的水银顺滤纸边缘缓慢地倾注漏斗内,以干燥清洁的厚壁玻璃器皿盛接过滤后的水银。如此反复过滤几次,便可得到比较清洁的水银。

氧化法

氧化法是用于去除溶解在水银中而又易氧化的金属。

把一个优质玻璃烧瓶的橡皮塞打两个孔,弯曲玻璃管A,穿过一小孔,管A的上端接皮老虎(或用电动空气压缩机),另一弯曲玻璃管B穿过另一小孔,管B的上端接冷凝器。先把瓶塞塞紧,用皮老虎不断地向瓶中吹气,搅动水银,使它和空气充分接触,溶解在水银中的金属变为氧化物,浮在水银表面上.再用过滤法清除这些浮渣。

在吹氧过程中,带有水银蒸气的空气(甚至含有小滴水银)通过冷凝器,水银收集在玻璃容器里,废气排在空气中。

酸洗法

用氧化法可以去除溶解在水银中的一部分金属,还有一部分金属则用酸洗法除去。酸洗法装置如图7:玻璃管A长约1米,管径3-4厘米,可用废的日光灯管改制,玻璃管S管长约12厘米,内径约3毫米。管S的出口处放一个玻璃器皿。首先注入少许非常清洁的水银于管S中,然后倒入10%的硝酸溶液(或用80%的硫酸溶液)。漏斗B中放戳有小孔的滤纸。把玷污的水银缓慢地倒入漏斗中,水银通过滤纸成为很小的微粒,微粒一滴一滴地通过酸液,经管S滴入玻璃器皿中。

经过酸洗的水银,还须通过大量清水冲洗,装置如图8所示。最后把水冲洗过的水银,再用过滤法,使水银通过干燥的滤纸、纱布或药棉吸去水分。

蒸馏法

水银跟某些金属起作用,生成汞齐,用酸洗法仍不能除去,可用蒸馏法使水银进一步清洁。

在一个标准大气压下,水银的沸点是356.58℃,当气压降低至8.796毫米水银柱高时,水银的沸点为180℃;当气压为17.287毫米水银柱高时,水银的沸点为200℃。蒸馏法是将水银在低压下加热到180℃-200℃,使它以每秒约0.5克/厘米2的蒸馏速度蒸馏出来。

附表给出在几种温度下水银蒸气的压强温度(℃)蒸气压(mm)温度(0℃)蒸气压(mm)500.0126725074.3751000.2729300246.801502.807350672.6920017.2874001574.1小型蒸馏器装置如图9,烧瓶应采用圆底优质硬玻璃,以免在抽气和加热过程中爆破。冷凝器长度不可过短,冷水流动的速度也不可过小。

托里拆利实验原理的五种分析法

托里拆利实验验证了大气压的存在,并为测量大气压强提供了一种方法。这个实验做起来容易,但学生理解起来有一定困难。课本对实验原理所做的分析不够细致,学生对“管内的水银柱为什么是外界大气压支持的?”“为什么大气压强的大小正好等于管内水银柱所产生的压强?”等等感到疑惑不解。为此,我们对这一实验的原理提供了几种分析法:

设想液片法

设想在管内切出一个小液片,其位置与水银槽水银面等高。液片足够薄,其薄的程度达到可使液片上下面视为在同一高度,其重量可忽略不计。

因为液片平衡且本身重量不计,故有p上=p下又因为液片上表面与水银槽中水银面等高。根据液体压强分布规律,液体内部同一深度处的压强相等,故有p下=p0从管内看,因为水银面上方为真空,故有p上=ρgh所以p0=ρgh这表明大气压强的大小正好等于管内水银柱所产生的压强。

大气、液柱刚化法设想托里拆利管内存在一液面,其位置与水银槽中水银面相齐。将管外的大气及管内假想液面上方的液柱刚化。这样,水银布下方的水银就看成被上方的空气和水银柱所密闭。这犹如液压机内下方连通的两容器中的液体被活塞所密闭的情形,此液体满足帕斯卡定律所要求的条件,两容器中液面所受到的压强相等。