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第5章 物理篇(1)

(一)自制万花筒

1.用三块大小相同的薄镜片(宽约3厘米、长15厘米)围成一个三棱柱,在三条棱角上用胶布粘合,再用橡皮筋捆牢。

2.用两块透明薄膜蒙在三棱柱的两端,用胶布或细线扎牢。

3.装进一些有色透明纸屑或彩色玻璃屑。

4.把薄膜的一端向着光,从另一端看底上的纸屑,就会看到美丽的图案,转动三棱柱,图案也随着变换,绚丽多彩。

(二)自制喷雾器

准备:废彩色水笔笔杆、电线塑料外皮(管子的直径约0.5~1毫米)、透明胶带纸、一杯水、铁丝。

把塑料笔杆和塑料管按图示用铁丝固定,透明胶带纸粘好,喷雾器的喷嘴部分就做好了。

把喷嘴放入水杯中,用嘴从塑料笔杆一端吹气,水就成雾状从喷口喷出。如果喷水不畅通,可调整塑料笔杆顶端和塑料管口的位置再做实验。这是为什么?

原来,空气从笔杆口处以很高的速度从塑料笔杆口喷出,由于空气速度很大、大气压力减小,杯与笔杆处形成压力差,水从杯内上升到塑料管口,高速气流又把水变成雾状从喷口喷出。

(三)自制模拟火箭

准备:气球、白纸、吹塑纸。

用纸糊个火箭外壳,把用吹塑纸剪制的火箭尾翼粘到火箭外壳上。把气球放入纸火箭内。

轻轻向气球内吹气,把气球和纸火箭吹涨,然后用手指捏住吹气口,竖直向下放在桌子上,松开手指,火箭即升空。

因为,当空气从气球吹气口竖直向下喷出时,气球火箭受到竖直向上的反冲作用,它就升空了。喷气式飞机也是根据反冲作用的原理飞行的。

(四)自制潜水艇

找一个装眼药水的小塑料瓶和一根铁钉,用胶布把它们缠在一起,在紧靠铁钉的塑料瓶侧壁上戳几个小孔,在瓶口接上橡胶管,这就做成了潜水艇模型。把模型浸入水中,从管里吸气,模型将怎样?向管里吹气,模型又将怎样?

(五)自制喷气船

取一未开易拉罐,在底部偏心处及同侧罐壁上各锥一孔,倒出饮料,用两根铁丝将罐扣扎在半个金属肥皂盒上,在盒中架一金属小盖(如香脂盒),里放酒精棉花。

实验时,从侧孔注入1/4罐清水,将侧孔先堵塞,把肥皂盒漂浮在水上,如同小船,点燃棉花酒精加热,使水沸腾,蒸汽便从底孔喷出,船则前进。

(六)自制指南针

材料:针、蜡烛、铁丝、冷水、透明塑料瓶、铁锥、细木棒。

1.用铁丝缠住缝衣针,然后放入火中烧红,之后马上放入冷水中冷却。你要记住了,浸的时候一定要使针成南北方向,这样针才能变成小磁针。

2.把塑料瓶剪去口,用铁锥在底部的中央扎一个孔,然后把细线一端拴在小磁针的中部,再把线从孔中穿过。倒立塑料瓶,使小磁针吊在瓶的中部。

使小磁针慢慢静止,这时你会发现,小磁针的一端指向的是南方,一端指向的是北方。

(七)雪的妙用

在瓶里装半瓶水,把它浸在沸腾的盐水锅里。等瓶里的水沸腾了,就把瓶子从锅里拿出来,很快地用预先准备好的很紧的塞子把瓶口塞住,然后把瓶子倒过来。等到瓶里的水不再沸腾,就用沸水来浇瓶子,这时候水不会再沸腾起来。可是如果你在瓶底上放一些雪,这时候你就可以看到水又在沸腾了……雪竟做了沸水所不能做到的事情!

更奇怪的是这个瓶子摸上去并不特别烫手,只是有些热。

这里的秘密在于雪把瓶壁冷却了,瓶里的蒸汽就凝成水滴。又因为瓶在沸腾的水锅里的时候,瓶里的空气被赶了出去,所以现在瓶里的水受到的压力要比以前小得多。我们知道当加在液体上的压力减小的时候,它的沸点也会降低。因此在我们这个瓶里,虽然也是沸水,但是并不怎样烫手。

如果瓶壁非常薄,那么瓶可能会因蒸汽的突然凝缩而发生某种类似爆炸的情况。由于瓶里没有够大的反抗力把外面空气的压力抵住,能把瓶子压破,所以最好用圆形烧瓶(瓶底凸出的烧瓶),以便让空气压在拱形底上。

(八)车轮上的物理学

如果把一张颜色纸片贴在车的车轮上,那么就可以在自行车行动的时候看到一种不平常的现象:当纸片在车轮跟地面相接触的那一端的时候,我们可以清楚地辨别纸片的移动;但是,当它转到车轮上端的时候,却很快闪过去了,使你来不及把它看清楚。

这样看来,车轮的上部仿佛要比下部转动得快些。这种情形你也可以在随便哪辆行驶着的车子的上下轮辐上看到,你看到的是轮子的上半部轮辐几乎连成一片,而下半部却仍旧可以一条一条辨别清楚。这儿又使人产生一个印象,仿佛车轮的上半部要比下半部旋转得快些。

那么,这个奇怪的现象要怎样解释呢?这个解释很简单,只不过由于车轮的上半部的确要比下半部移动得更快一些罢了。这件事实初看的确不大好懂,但是只要这样想一下就会对这个结论完全相信:你知道滚动着的车轮上的每一点都在进行两种运动——绕轴旋转的运动和跟轴同时向前移动的运动。因此,两个运动应该加合起来,而这加合的结果对于车轮的上半部和下半部并不相同。对于车轮的上半部,车轮的旋转运动要加到它的前进运动上,因为这两个运动都是向同一方向的。但是对于车轮的下半部,车轮的旋转却是向相反方向的,因此也就要从前进运动里减下来。就一个静止观测的人看来,车轮上半部移动得比下半部更快一些,原因就在这里。

为了证明事情的确是这样,可以做一个简单的实验。把一根木棒插在一辆车子的车轮旁边的地上,使这根木棒恰好竖直通过车轮的轴心,然后,用粉笔或炭块在轮缘的最上端和最下端各划出一个记号,这两个记号应该恰好是木棒通过轮缘的地方。现在,把车轮略略滚动,使轮轴离开木棒大约20~30厘米,然后再去看看方才的两个记号有了怎样的移动。上面的一个记号移动了一大段距离,而下面的那个记号却只离开木棒一点儿。上面的点比下面的点显然是移动了更大的一段距离。

(九)透镜在水底下

把双凸透镜(放大镜)浸在水里,然后隔着它看水里的物体。在做的时候你一定会吃惊:放大镜在水里几乎不起放大作用了!你也可以把一块双凹透镜(缩小镜)放在水里,这时候它好像也几乎失掉了缩小的能力。

如果你用来做实验的不是水,而是一种折射率比玻璃大的液体,那么双凸透镜反而会将物体缩小,双凹透镜则与此相反,它会将物体放大。

如果你回想一下光线折射的原理,那你就不会对这些现象吃惊了。双凸透镜在空气里能够放大,是因为玻璃的折射率比周围空气的折射率大。然而玻璃和水的折射率相差不多:所以如果你把玻璃透镜放在水里,光线从水里进入玻璃的时候,就不会偏折得很厉害。由于这个缘故,放大透镜到了水里,它的放大能力就要比它在空气里的时候小得多,而缩小透镜的缩小能力同样也要小得多。

有一些液体,折射率比玻璃大,所以放大镜在这种液体里会缩小物体,缩小镜会放大物体。空心透镜(即空气透镜)在水里也起着同样的作用:凹的会放大,凸的会缩小。潜水员用的眼镜正是这种空心透镜。

(十)神秘的纸片

把一张薄纸剪成长方形,按照它的横直两条中线各对折一次,再把纸展开,两条折痕的交点就是这张长方纸片的重心。现在,把这张纸片放到一根竖立着的针的针尖上,使针尖恰好顶着这一点。

这张纸片会在针尖上保持平衡,因为针是顶在它的重心上。这张纸片如果受到一阵微风吹动,就会很快旋转起来。

起初,还看不到什么神秘的现象。现在你把手放到这张纸片旁边,注意手要轻轻移过去,不要让手移动时候的风把纸片吹落。奇怪的现象发生了:纸片旋转起来,起初还慢,渐渐快起来了。可是如果你把手悄悄地拿开,纸片立刻就会停止旋转;把手移近,纸片又旋转起来。

而且你会发现纸片旋转的方向总是一致从手腕这边向手指那边。实际上这件事情的原因非常自然而且简单:下部的空气给你的手掌温暖了就向上升起,它碰到纸片,纸片就旋转起来,就像放在灯上的纸条卷会转动一样,因为纸片曾经折过,就造成了略略的倾斜。

那么,为什么纸片的旋转方向会是从手腕这边向手指那边呢?因为人手各部分的温度是不同的:手指端上的温度总比掌心低。因此,接近掌心的地方,就会造成比较强的上升气流,它对纸片所加的力也比手指那边大。

(十一)可旋转的浮沉子

很多同学都听说过、见过“浮沉子”,但从未自己动手做过“浮沉子”,下面,我们就动手来做一做。

主要材料:“口服液”小瓶2个、大“可乐瓶”2个。

“甲瓶”制作要求:自由状态“漂浮”;手捏“大瓶”、“小瓶”下沉;

“乙瓶”制作要求:自由状态“下沉”;手捏“大瓶”、“小瓶”漂浮。

“浮沉子”物理原理是什么?你在制作过程中“最麻烦”的步骤是什么?

实验前准备:我们选择了这个有趣的物理实验,通过对实验现象的理论分析,不仅培养了同学们对物理学的兴趣,也提高了同学们对物理现象的理论分析能力。第一个实验是可旋转的浮沉子,这个实验所需的器材很简单,只需要一个1.5L~2L大的胶瓶(可以到小卖部或商店去买一瓶2L的汽水,这样还可以在做实验过程中喝到汽水)和小小的口服液瓶子就可以了。

实验制作:首先把胶瓶装满清水,到水溢出瓶口为止。之后,再向小瓶中装大约3/5左右的水(不要装太多,否则瓶子一放到胶瓶中就浮不起来了;也不要装太少,否则就沉不下去了),经过耐心的试验,把小瓶中的水量调到适当的比例,然后用一只手指的指腹按住口服液瓶口,将它倒转过来,使瓶口朝下,瓶底朝上。之后将手指和小瓶都放进装满水的胶瓶瓶口之中,要注意以下两点:手指不要太松,不能让口服液瓶中的水流出来;手指一定要和小瓶口一起伸进胶瓶瓶口,不要提前将手指移开。在小瓶瓶口完全浸在大胶瓶瓶中的液面以下时,再将手指移开,移开的速度要快,最后再将胶瓶塞住,要塞得紧,不能使空气进出,实验器材就准备好了。

开始试验:

首先将瓶子放在黑板前,在转板上标出小瓶子所在的位置,用手轻轻挤压大瓶瓶壁,同时大瓶缓缓上升,这时,你会发现,小瓶还处在刚刚做标记的位置,而大瓶却在上下移动,小瓶和大瓶并没有同时上下移动,这是为什么呢?

实验原理和结论:通过进一步的观察发现,在大瓶上移时小瓶中的液面略有上升了,在大瓶下移时小瓶中的液面略有下降了。经分析,原因是大瓶的本身容量是一定的,当手挤压大瓶时,大瓶的体积减小,瓶内水压增大,并大于小瓶内的气体压力,所以水就被迫挤进小瓶中了,而小瓶与其中的水是一个整体,水变多了,整个的重力就变大了,所以就沉了下去。同理,将手松一下,水就从小瓶子中液出了一些,整个的质量又变小了,所以小瓶就浮了起来……

(十二)水顶球

先找一个大的玻璃瓶,在盖上穿两个小洞,装上自行车轮胎的气芯,其中一个再连一条细管,细管的另一边要触到瓶底,之后在瓶中装满水,再用气筒给瓶子打气,不要打太多,小心打爆瓶子,也不要打太少,否则压力不够,实验做不成。

首先将连有细管的气芯打开,立即有一条水柱喷了出来,再将乒乓球放在水柱上,只见乒乓球在水柱上旋转,实验成功了,大家开始把观察到的现象总结如下:

1.球一直在自转。

2.球在上下移动。

3.球一直在水柱旁边。

对此大家提出了如下的疑问:

1.为什么球不在水顶上,而在水旁边?

2.为什么球没掉下来?

3.为什么球不停自转?

4.为什么瓶要密封?

5.小球为什么时而上升时而下降?

6.为什么向上的水柱要调成竖直方向?

7.随小球旋转的水珠为什么会飞出去?

8.用光照射,小球为什么会特别明亮?

我们把球没有掉下来作为切入点进行分析,因为小球处于动态平衡,可知小球所受的外力和为零,由此得出水对小球施加的力等于小球的重力,然而球为什么会自转呢?是因为向心力吗?向心力的方向不断变化,但总是沿着半径指向圆心。显然试验中不存在这样的力,所以不是。现在知道为什么球会自转了!因为水的冲力沿切线作用于球,在使球保持上下平衡的同时使球自转,经过进一步的思考,球为什么上下移动就好解释了。因为水向上的冲力不断变化。有时大于球的重力,有时小于球的重力,合力有时向下,有时向上,所以不停上下移动。还有一个问题是球为什么不在水顶上而在水旁边。你可以去向老师请教。老师也许只是给了一个提示:“在两张纸之间吹一口气怎样?纸非但没有吹开,反而会合拢了。这是什么原因呢?”仔细想想,最后就能想到气流和它所带来的压强变化。在纸之间吹气,则纸之间的压强比周围小,所以纸两边就产生了压力差,这个压力使纸靠拢。这时想到老师讲过的为什么在车站人不能离火车道太近的道理,因为火车开过时很快,带动附近气流,使火车道的压强很小,吸引周围的气流,这跟水顶球实验是同一原理。水向上冲,同时带动气流,吸引球在旁边。

(十三)煤油灯上的玻璃罩

很少有人知道,煤油灯上的玻璃罩在变成目前的形状以前,曾经经历了多么长的道路。灯罩究竟有什么用呢?

保护火焰,使它不致被风吹灭,只是灯罩的次要功用。它的主要功用是增加火焰的亮度,加快燃烧的过程。灯罩的功用同炉子或工厂里的烟囱的功用一样,它能使外面的空气大量地流向火焰,增强通风。

火焰烧热灯罩里面的那个空气柱比它烧热灯的四周的空气要快得多。烧热了的空气变得很轻,就被从下面经过灯孔来的、还没有热的、比较重的空气推向上面。这样一来,空气就不断地从下向上流动,这种流动会不断地带走燃烧生成的产物,并且带来新鲜空气。灯罩越高,热空气柱和冷空气柱在重力上的差数就越大,于是新鲜空气也就更有力地流入灯罩,使燃烧进行得更快。这里所发生的一切同工厂的高烟囱里所发生的完全是一回事。所以这些烟囱也要做得很高。

(十四)液体会向上压吗

关于液体会向下加压力、压向容器的底部,会向侧面加压力、压向容器的壁,这是大家都清楚,但是,液体还会向上加压力,这一点却有许多人没有想到。其实只要用一只普通煤油灯的灯罩,就可以帮助我们认识这种压力确实存在。

用厚纸板剪一个圆片,要比灯罩口略大一些。把它盖在灯罩口上,倒转来放到水里去。为了使那圆纸片不会从灯罩上脱落,可以用一条细线穿在圆纸片中心。通过灯置引到上面来,用手拉着线,也可以直接用手指在底下托着纸片。等到这个灯罩渐渐沉到水底下一定的深度,这个圆纸片就会自己留在灯罩口上,不必再用线拉住它或者用手指托住它,现在托着它的已经是容器里的水了,是水从下向上向圆纸片加着压力了。

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