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张前军物理教学随笔

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一个小实验的改进  

2010-12-24 21:38:20|  分类: 选修3-2 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(本文发表于核心期刊《物理教学》2009年第10期) 

在物理课本选修3-1(人教版)上94页4题:如图1所示,把一根柔软的弹簧竖直地悬挂起来,使它的下端刚刚跟槽中

一个小实验的改进 - 物理教学随笔 - 张前军物理工作室

 的水银接触.通电后,你预计会发生什么现象?怎样解释这个现象.该实验题中用水银作为导电液体,因为水银有毒,能不能用其它更安全的导电液体替代水银来做该实验呢?

先用水银做该实验,在电压为4V时就能使柔软弹簧(劲度系数为2.3N/m)跳动,弹簧的最小跳起电流约为1.4A,在较高电压(8V)时能够得到更加明显的现象:弹簧上下振动,电路交替通断(教师参考书答案).但在实验中还可以观察到更多的现象:在弹簧与水银接触处还有明显的电火花产生,并伴随着“啪”、“啪”的响声,这一现象在教师参考书中没有提到,理论分析时也是不容易得到的.

再用常见电解液食盐水替代水银做实验,得到以下三大原因使得实验不能成功.

1、导线与食盐水处接触电阻较大:在电压为16V时,电路中的电流仅为0.2A,当把食盐水表面接触处的导线插入食中食盐水更深时,电路中的电流会急剧上升到几个安培,此时,电路中虽然有大电流,但已经不满足实验要求导线与液面刚接触的条件了.由此可知,只有在电压达到112V时电流才达到弹簧的最小跳起电流1.4A,112V的电压对于人体而言已经是高电压了,不太安全.

2、用食盐水替代水银做实验时产生了强烈的电解现象:与食盐水接触的负极铜导线处有无色气泡不停放出,食盐水中的H+得到电子,变为H2放出,与食盐水接触的正极铜导线(为实验方便在弹簧下端接了一小段铜导线)处有蓝色物质产生,正极铜导线处上的CU失去电子,变为蓝色的CU+2.电压越高电解现象越强烈,与液面接触处的正极导线腐蚀过快与液面脱离接触,实验不能成功.

3、盐水与导线接触时产生了浸润现象:与盐水表面接触的导线上附着较多的液体阻碍弹簧脱离液面.当然最好的方法是用盐水不浸润的导体来进行实验,但不易找到这样的导体.笔者在用水银做实验的成功的基础上,将与水银不浸润的铜导线换成与水银浸润的锌导线,在保证改装前后电路中电流不变的条件下进行实验,锌导线与水银一直接触而不断开;在实验过程还可以明显观察到锌导线在与导电液体刚接触时,锌导线会突然向下运动一小段距离,把弹簧拉长.

进一步实验表明:导电液体为硫酸、氢氧化钠、硫酸铝等电解液替代水银做实验时得到的情况与用食盐水做实验时相差不大.

通过以上对比实验可知:(1)用水银做该实验能够成功,且现象比理论分析还要多,而用电解液做该实验不能成功;(2)在该实验中水银的作用是导电、防止电解和防浸润.因为水银具有毒性,且用水银做实验过程中发现水银与弹簧刚好接触这一条件要求较高:槽中水银表面用来密封水银的水与弹簧浸润接触影响实验效果,可用卫生纸吸取水银表面的水;用注射器进行适当的吸取或点滴水银来控制弹簧与水银面刚好接触.一个小实验的改进 - 物理教学随笔 - 张前军物理工作室

综上所述,该实验中的导电液体水银不能用电解液来替代,但可以用固体金属斜面来代替水银面,也能得到 同样的现象:弹簧上下振动,电路交替通断,在弹簧接触处还有明显的电火花产生,并伴随着“啪”、“啪”的响声.用固体金属斜面来代替水银面,既容易控制刚好接触的条件,又没有电解和浸润现象发生,实验容易操作、安全又成功,如图2所示.

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