測定速度實驗裝置制作

1、測定速度實驗裝置制作第一部分：實驗裝置剖析依據(jù)2011年新課程標準重新改版，由教育科學(xué)出版社出版的 初中物理八年級上冊，在 第二章運動與能量中第三節(jié)測量物體運動的速度，創(chuàng)新的引入實驗探究：氣泡的速度（以下簡稱氣泡實驗）。教材中實驗裝置要求為：長約 80cm內(nèi)徑10mm的均勻玻璃管，管內(nèi)注滿水， 留一個小氣泡，兩端密封。操作要求為：和你的同學(xué)合作，倒轉(zhuǎn)玻璃管，保持豎直，觀察氣泡 在管內(nèi)的運動，從某一位置開始用停表計時，每 2s在玻璃管上用記號筆記錄小氣泡的位置， 最后用米尺測量，將實驗數(shù)據(jù)填入以下表格中【出自教材 27頁】對氣泡實驗分析如下（氣泡上升時形狀如圖）：首先：氣泡實驗中主要設(shè)計到的知識

2、有：浮力、平衡力、摩擦力、壓強、液體黏滯力等。其次：氣泡速度影響因素。氣泡的上升速度，取決于玻璃管的內(nèi)徑（內(nèi)徑越大，速度越快）、氣泡體積大?。馀蒹w積越小，速度越快；若氣泡直徑小于管內(nèi)徑，則氣泡運動為曲線運動） 、裝置傾斜角 度（與水平方向夾角從4590度增加過程中，氣泡速度越慢）、承裝液體和容器材料（這點在 后邊詳細說明）。最后：原實驗裝置的不足。原實驗裝置為兩端封閉的玻璃管，內(nèi)留有一個小氣泡。所以，實驗操作中由于浮力作用， 必須倒置玻璃管后才能觀察到氣泡的運動過程。另外，小氣泡的體積教材中并未提及，具體多 大沒有明確說明。玻璃管內(nèi)承裝的液體為水。綜合以上三點，導(dǎo)致原實驗裝置弊端較多。第一：

3、由于玻璃管內(nèi)所裝液體為水，裝置長度為 80cm倒置后氣泡運動總時間小于 6s， 除去從倒置開始到記時起點時氣泡的運動等因素，實際記錄時間小于 5s，甚至低于4s，導(dǎo)致 實驗測量時間過段，無法收集足夠的數(shù)據(jù)，測量誤差較大。第二：裝置倒置后要求豎直放置才開始記時，對學(xué)生操作要求極高，初學(xué)物理的學(xué)生，動 手能力才剛開始培養(yǎng)，很難達到要求，只能在教師一步步指導(dǎo)下，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練才能順利完成 此操作。第三：裝置倒置過程，實驗裝置將會以 40cm半徑做半圓周運動，又因裝置為玻璃管，玻 璃的最大缺點易碎，實驗過程極易發(fā)生危險第四：裝置倒置后，要求豎直放置，實驗室沒有與只配套的旋轉(zhuǎn)倒置裝置，若用鐵架臺用 試管夾

4、，固定時間較長；若采用學(xué)生手持方式，玻璃管很難穩(wěn)定保持豎直，氣泡速度會隨傾斜 程度發(fā)生變化。第五：實驗裝置的氣泡大小。氣泡體積教材沒有做出明確說明， 與原實驗裝置和操作要求 相匹配的氣泡體積較難符合測量要求。體積過大，速度變慢，但是測量距離受較大影響；體積 過小速度過快，測量時間又過短。第二部分：實驗裝置設(shè)計與測試過程。依據(jù)對原實驗裝置的不足分析，確定實驗裝置改進方向。在設(shè)計和測試過程，主要從研究 對象、液體、管壁材料、操作方式四方面進行研究。下面，簡述設(shè)計過程和測試結(jié)果。第一：針對研究對象的改進和測試過程。為測試各種研究對象在液體中的運動過程， 尋找符合實驗要求的研究對象以代替氣泡。 在 測

5、試過程中，選取一根長1m內(nèi)徑為25mm勺石英玻璃管。然后分別制作了 eps泡沫小球（直 徑小于25mm測試直徑為3mm 10mm 15mm三種）、eps泡沫圓柱體（高度15mm直徑24mrh、 eps泡沫圓臺（高度15mm直徑24mm 20mm。通過實際測試，發(fā)現(xiàn)這些物體在運動過程中由 于水流等原因，導(dǎo)致物體做向上的振動式運動，整體速度顯勻速，但是局部振動，易導(dǎo)致學(xué)生 判斷為曲線運動。由此推知，氣泡由于屬于氣體易于形變，在玻璃管內(nèi)不易被觀察到這種形變，所以是做 為研究對象的最好物體。第二：針對液體和管壁材料的改進和測試過程。通過直徑25mm長1m的石英玻璃管實驗，發(fā)現(xiàn)氣泡上升速度太快，所用時間

6、僅為67s。 所以，思考可以使用黏滯系數(shù)較大的液體，增強液體黏滯力，從而降低氣泡速度。由此思路聯(lián) 想到洗滌劑和煤油。煤油為實驗室必備，但是無法調(diào)節(jié)粘稠度，所以最終確定為使用洗滌劑。通過選用不同粗細玻璃管（內(nèi)徑為 5mm 7mm進行了多次測量，并對洗滌劑與水的體積 比例進行了多次測試，分別測試了 5: 1、5： 2、5： 3、4: 1、3: 1、3： 2、1： 1的比例。最 終得出，玻璃管在57mm內(nèi)徑時，洗滌劑與水的體積比小于或等于 3： 2時，氣泡速度隨比例 的增加，速度明顯降低，可增加測量時間約 5s （管長1m時）；當比例大于3： 2時，氣泡速度 不在明顯降低。但是，當選用亞克力管（長度

7、 1m，內(nèi)徑為5mm 6mm 8mr）i，進行實驗時，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果正好相反。若使用洗滌劑和水混合物進行實驗， 氣泡上升所用總時間約 為10s。而改用純水實驗時，時間增加至 15s。但是，由于是純水受液體表面張力影響對后期 測試造成了一定困難。為了，減少液體表面張力的影響，使水順利流出，測試中發(fā)現(xiàn)在純水中 添加少量洗滌劑可明顯增強水的溢出。思考其原因，洗滌劑為大分子物質(zhì)，加入水后，降低了 液體表面張力。所以采用了水和洗滌按大比例混合的最終方案（如右圖，比例約為100： 1,攪拌過程只產(chǎn)生少量氣泡）。為了增強可視性，在液體中追加紅鋼筆水，通過測試發(fā)現(xiàn)顏色越深，氣泡與液體色差越小， 這是因為液體要經(jīng)

8、過氣泡與管壁的縫隙下流。所以，配置色彩時，液體顏色選擇淺紅色。由于亞克力管與玻璃管相比較，更易于加工，且不易碎，市場各種規(guī)格型材較多，相對價 格要比玻璃管價格更為便宜。且亞克力管管壁較厚，可起到放大鏡的效果，使實驗現(xiàn)象更易于 觀察。最后基于以上結(jié)果，選定為亞克力管配備水（水和洗滌劑按100: 1比例混合，加紅鋼筆水至淺紅）。第三：針對操作方式的改進和結(jié)構(gòu)測試。原實驗裝置由于操作過程中需倒置，而使實驗產(chǎn)生多種弊端。為了避免，實驗裝置倒置， 所以采用生成氣泡方法解決此問題。生成氣泡的原理，利用液體重力來克服大氣壓力和液體表面張力作用， 使封閉管內(nèi)水溢出， 空氣進入從而形成氣泡。為了順利形成氣泡，管的內(nèi)徑不能過小，否則將倒置液體無法溢出。 實際測試發(fā)現(xiàn)當內(nèi)徑大于7.3mm時，即可成功形成氣泡；若內(nèi)徑為6mm則一定幾率形成氣泡。采用生成氣泡方式由此帶來的問題是實驗過程中水柱高度的降低，所以裝置需要注水后繼續(xù)實驗。為解決這一問題，分別測試采用螺紋加蓋方式和橡膠塞、球閥密封的方式