“密度天平”中的發(fā)明創(chuàng)造思維

1、“密度天平中的創(chuàng)造創(chuàng)造思維“密度天平是筆者在參加全國青少年第十屆科技創(chuàng)新大賽時指導的創(chuàng)造作品 ,并獲二等獎。此外 ,密度天平還在首屆“長江小創(chuàng)造家比賽中榮獲三等獎。該作品應用了初中物理學中的天平原理、杠桿原理、阿基米德定律等知識 ,設計巧妙 ,是學生在研究性學習過程中的成果。現(xiàn)將其原理與對其創(chuàng)造思維的分析總結如下 ,希望對廣闊青少年學生和科技指導教師有所啟迪。一、密度天平的原理密度天平是根據(jù)初中物理課本中測量固體密度的內(nèi)容設計的。初中教材中固體密度的測量分三步完成：第一步：用質量天平測質量m；第二步：用排水法測體積V；第三步：計算密度：。密度天平巧妙地綜合了上述過程 ,其原理如圖1所示。AB為

2、天平橫梁 ,O為天平支點 ,左端放質量為M的待測物 ,右端放待測物完全浸沒在水中時排開的質量為m、體積為V的水。保持長度不變 ,并確定為1個單位長度 ,移動排開水的位置 ,使天平平衡 ,那么有因為假設取為1個密度單位 ,那么有 ,取為1個單位長度 ,那么有 ,即。這個關系式將測量固體密度的大小轉化為測量的長度 ,以為一個長度單位 ,確定好刻度后可直接讀出固體密度。二、對密度天平創(chuàng)造思維的分析1選題時進行思維遷移與聯(lián)想我們知道 ,測量長度、質量、電流、電壓等物理量可通過尺、天平、電表直接測量 ,表征物體物理性質的一些物理量 ,如電阻、液體密度也可以通過儀器、儀表直接測得結果。通過類似的例子引導學

3、生去聯(lián)想 ,其他物理量如密度、比熱等能否不通過計算而用專門儀器直接測得結果 ,由此引導學生確定選題。2構思過程中的發(fā)散思維當學生確定了創(chuàng)造測量密度專用儀器的選題后 ,接下來就是如何解決這一問題 ,讓全班學生集思廣益后認為可通過這樣的途徑來解決：1液體密度測量是否可對這一主題有所啟示；2尋找另一個聯(lián)系著質量與體積比值關系的量直接解決問題；3利用彈簧秤稱量物體在水中的與在空氣中的重量差異來實現(xiàn)。1、3兩類思路很難實現(xiàn) ,可從第2種思路中尋找突破口。第一 ,抓住質量與重量的關系；第二 ,抓住在杠桿平衡時重量與長度的關系；第三 ,利用水的體積與質量的關系及密度公式 ,并將三者綜合在杠桿平衡條件中 ,這

4、就是創(chuàng)造密度天平的構思原理如前文所述。3制作過程的分析與綜合密度天平的支架可以選擇質量天平的支架結構 ,制作中的一個突出問題是 ,盛待測物的托盤和盛排開水的燒杯所引起的無用力矩怎樣消除？盛待測物托盤重力不變且OA長度不變 ,所以盛待測物托盤重力的力矩是不變的 ,容易消除。而盛排開水的燒杯產(chǎn)生的力矩是隨OB長度的變化而變化的 ,如何消除 ,又給學生提出了一個新問題。經(jīng)過引導學生思考 ,得出最好的方法是在待測物體的同側懸掛一個與燒杯、盛燒杯的托盤等附件質量相同的物體 ,它隨盛排開水燒杯位置的變化而變化。當OB的長度發(fā)生變化時 ,左端懸掛的小物體產(chǎn)生的力矩也隨著變化 ,且大小與盛排開水燒杯、托盤等附

5、件產(chǎn)生的力矩時刻相等。這個方案是通過如圖2所示的滑輪調(diào)節(jié)實現(xiàn)的。由于兩邊懸掛的重物質量相同 ,分別懸掛在連接滑輪的兩條繩上 ,因而它們同時向兩邊移動 ,兩邊力臂時刻相等 ,力矩也時刻相等。另外的一個問題是 ,測量物體的密度時 ,保持物體在水中還是從水中取出來測量？物體從水中取出 ,物體外表的水就會對測量精度有影響。最好保持物體在水中 ,那么 ,此時左端是物體在水中的重量。測量原理中的關系式將要發(fā)生變化。G為待測物重量 ,F為完全浸沒時物體所受的浮力 , ,取為1個密度單位 ,OA為1個單位長度 ,那么即如果為n倍的單位長度 ,那么固體密度為n+1倍水的密度。這一巧妙的設計 ,克服了由于排開水時

6、物體沾水而需重新調(diào)節(jié)天平平衡所帶來的系統(tǒng)誤差。三、密度天平與研究性學習密度天平的創(chuàng)造是組織學生參與研究性學習的結果。盡管該創(chuàng)造還不十分完善 ,但是該作品卻包含了科學研究中的一些較好的方法：1對數(shù)學運算形式的簡化 ,使公式更簡潔；2對物理知識的巧妙結合；3研究過程中具有思維的遷移與聯(lián)想 ,分析與綜合 ,思維的發(fā)散與靈感的閃現(xiàn)等；4該創(chuàng)造也是當初中學生學完物理、化學、數(shù)學知識后 ,培養(yǎng)他們綜合運用知識的能力 ,鍛煉他們創(chuàng)造性思維的一個好課題 ,也是學生進行探究式學習的范例。另外這一課題中值得探討的問題還很多 ,如與水反響的固體密度問題 ,如何解決以不同密度的液體作為排開液體時的刻度問題克服化學反響 ,怎樣分析小體積物體的測量問題提高精度 ,是否還有更好的測固體密度設計方案 ,都可作為探究式學習的內(nèi)容。四、組裝、調(diào)試和使用步驟1按如圖3所示組裝并調(diào)試好密度天平；2調(diào)節(jié)溢水杯 ,讓載物盤浸沒在水中 ,翻開益水杯閥門 ,調(diào)節(jié)溢水杯的水位 ,直到水平靜不流為止 ,關閉閥