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第6章 物理小实验(6)

这个小实验蕴含一个科学道理:每个物体都有自己特定的固有频率,脸盆也是如此。当左右两个大拇指有规律地按一定距离对称地在盆边沿摩擦,摩擦产生的振动频率和脸盆本身的固有频率达到同步一致时,脸盆就发生共振。共振时,脸盆周壁发生横向振动,这种振动,犹如在平行于水面方向用手急速地拍打水,迫使水珠喷溅,煞是有趣。

你有兴趣的话,不妨模拟一下,手和脸盆上的油污要洗得干净,对称力度要大,左右两边摩擦距离宜适中,当两个大拇指在盆边沿达到一定摩擦节奏时,共振现象就会出现,实验也就成功了。

会“冒汗”的黑板

你有没有发现有时候黑板上挂着许多小水珠,使得字迹变模糊了?知道这是为什么吗?难道说黑板也会“冒汗”吗?赶快通过下面这个实验揭秘吧!

实验材料和用具:纸箱、较厚的铁板、烧瓶、酒精灯、铁架台

实验步骤:

1.在纸箱右侧的箱盖上开一个直径4厘米的圆孔,紧靠着圆孔在纸箱里竖直放置一块较厚的铁板。

2.在纸箱左侧的底部插上一根玻璃管,玻璃管的另一端与盛有一定量水的烧瓶相连(如图所示)。

3.装置安好后,对烧瓶进行加热。当烧瓶中的水沸腾约1分钟后,移走酒精灯,从纸箱中取出铁板,你会发现铁板上布满了小水珠。

4.将铁板烘干,立即放回纸箱的原处,点燃酒精灯加热烧瓶再次向纸箱中输送1分钟的水蒸气,然后取出铁板,你发现这次铁板上并没有出现小水珠。

为什么前后两次实验会出现不同的结果呢?

其实,在第一次实验时,纸箱内空气的温度较高,湿度较大,由于空气与铁板之间的温差较大,于是空气中的水蒸气遇到较冷的铁板便凝结成小水珠;而第二次实验时,加热后的铁板与空气之间的温差较小,所以空气中的水蒸气不易在铁板上凝结。

现在,你明白了吧,黑板根本不会“冒汗”,那些小水珠只是空气中的水蒸气遇冷凝结而成的,不过要使水蒸气在黑板上凝结必须要具备两个条件:一是黑板与空气的温差要比较大;二是空气的湿度也要较大。

在我们的教学当中使用的黑板有很多种,一般,水泥黑板相对木黑板和镀锌金属黑板而言,更容易使水蒸气凝结。这是因为水泥黑板与墙体相连,且水泥是热的不良导体,当气温升高时黑板的温度不能随之同步升高,于是两者产生较大的温差,水蒸气比较容易凝结。木黑板虽然也是热的不良导体,但它一般与墙体分离,周围被空气包围,所以与空气温差相对较小。最理想的是镀锌金属黑板,它是一层金属薄片,用多层硬纸板与墙体隔离,由于金属是热的良导体,当气温升高时,金属黑板的温度能随着升高,所以水蒸气不易在它的上面凝结成小水珠。

光导实验

实验材料和用具:纸盒、墨汁、黑纸

实验步骤:取一只大的长方形纸盒,拿掉盒盖。用墨汁将盒子里面涂黑,并让纸盒干燥。然后,用黑纸粘贴在纸盒的周围,形成高高的边,在盒的一侧扎—个洞,穿入一条实心透明的软塑料圆杆,并将圆杆的一头留在外面。接着,用一团橡皮泥粘在伸出盒外的圆杆的周围,不让其漏光(图一)。

把盒子移入黑暗的房间里,将灯光照在透明杆的一头,看看盒子里面,很有意思,整条圆杆都在发光,连弯曲部位也照样发光(图二)。

我们都知道通常光是沿直线传播的,但是上面的实验表光在弯曲的透明杆里也能传播。你能说说,这是为什么吗?

用压力锅做实验

我们日常用的压力锅封闭性能好,可以用来做许多科学实验,而且操作简便。现在就用压力锅试着做下面的实验吧!

实验材料和用具:压力锅、带柄的金属环、乒乓球、废圆珠笔芯

实验步骤:

1.演示流体流速和压力的关系

在压力锅内加水500克左右(用热水可缩短实验时间),盖好锅盖,但不要盖限压阀。

将压力锅放在炉子上加热。当水蒸气从喷嘴向上喷出时,用带柄的金属环托起一个乒乓球放在喷嘴上方。我们可以看到乒乓球被气流冲到一定高度而悬浮在空中。用它可以生动地说明流体的流速和压力的关系,形象真切。

2.演示反冲运动

把4支粗细相同的废圆珠笔芯洗干净后,剪成6厘米长的4段,并在其中间稍微加热后,弯折成直角喷气管,然后分别插入限压阀周围的4个出气孔中(注意管口方向一致)。

演示时,先在锅内装适量水,盖好锅盖和带喷气管的限压阀,将压力锅放在煤炉或电炉上加热。等水沸腾,锅内气压达到一定数值时,水蒸气会从限压阀喷气管出口喷出。这时,我们可以看到:限压阀在水蒸气反冲作用下向喷气的反方向快速旋转起来。

注意:使用压力锅做以上实验一定要注意安全,在打开锅盖前,必须把锅从炉火上取下并打开放气阀减压,这些实验最好在老师或家长的指导下进行。

能发电的电风扇

看到题目,你也许会想,电风扇是需要耗电的,怎么能用来发电呢?别急,下面的实验会告诉你电风扇也能发电。

实验材料和用具:电风扇、发光二极管

实验步骤:在一台电风扇的电源插头上绕上一个发光二极管(如图所示),并把控制开关设置在最大风力档(若另有电源开关,也要开在接通状态)。现在你用手拨动电扇的风叶快速旋转,可以看到发光二极管会一闪一闪发亮。这样,电风扇就变成了发电机,只不过它发出的是交流电,而发光二极管只能单向导电,所以只是间歇发光,显示不出电扇发出的另外一半电能。

接下来,我们用两台电扇(不必是相同型号)和两个发光二极管做这个实验,会看得更清楚。

将两个发光二极管与电扇A的电源插头并联连接,最好是一只发红光,另一只发绿光,连接时注意极性要相反,再接一个限流电阻,连接好以后,将插上电源的电扇B打开,由远到近地对着风扇A吹风。

当风扇A的转速比较低时(离风扇B较远),二极管闪亮的间隙较慢,很明显是红绿光交替着发光,你还可以计算出风扇A所发出交流电的频率(即电流方向每秒钟变化次数);随着两台风扇距离靠近,风扇A的转速越来越高,两只发光二极管的闪烁也越来越急促,最后看上去都点亮了。其实,二极管仍在闪烁,但是我们的眼睛有视觉残留现象,对于变化过于快的光看上去像是静止的——电视机就是利用了眼睛的这一特点。

静电杯实验

静电现象在我们的日常生活中随处可见,下面的“静电杯”实验是一个同时让几十个人参与的静电体验实验。

实验材料和用具:杯子、铝箔、丝绸或羊毛围巾、有机玻璃棒、双面胶

实验步骤:取三只一次性杯子,分别在一只杯子的外壁和另一只杯子内壁用双面胶贴满铝箔,要求尽可能贴平整。

在内壁粘贴包裹的杯子口上引出一条铝箔剪成的电极,剪下第三只杯口加以固定。然后将内壁贴铝箔的杯子套入外壁贴铝箔杯子中,略加紧贴即制成静电杯。

用一块旧的丝绸或羊毛围巾包裹着一根约4厘米粗的有机玻璃棒反复摩擦,并一次次地对静电杯进行充电。待充电多次后,一只手握住静电杯,另一只手触摸静电杯引出电极,你就会感到有强烈的麻电刺激,这也许会使你对静电产生难以忘怀的感觉。

实验时,还可以几十个人手拉手围成一个圈,其中一位参与者右手握住静电杯,左手拉着相邻伙伴的右手,这样连成一圈。对静电杯充电完毕后,请最后一位参加者用左手触摸一下静电杯的引出电极,这时所有的参加者都会感受到强大静电的冲击力,不过你大可放心,绝没有生命危险。

其实这个实验的原理非常简单,只是将摩擦产生的静电,存储在简易电容器——“静电杯”中,然后让游戏者对已充电的电容器形成回路,使所有游戏参加者都体验到静电的存在与刺激。

注意:凡患高血压、心脏病者不能参加该游戏!

沉入水底的蜡烛

我们知道蜡烛的密度小于水,所以当你把蜡烛放到水中时,它总是浮在水面上,不会自动沉到水底。那么你有没有办法在不直接触及蜡烛的情况下,设法让它“沉到”水底去呢?

实验材料和用具:透明的玻璃水槽、蜡烛头、透明玻璃杯

实验步骤:

1.在透明的玻璃水槽(可用底部平坦的鱼缸或大口瓶等代替)里盛入约2/3容积的清水,将一段短而粗的蜡烛头放入水中,此时它应当漂浮在水面上。

2.再取一只透明玻璃杯,杯口朝下,罩住水面上的蜡烛,然后小心而缓慢地垂直向下压。随着杯子渐渐下降,杯内的水面也在降低,蜡烛也跟着往下沉。等到杯口碰到水槽底部时,如果你的操作得当,蜡烛也几乎沉到槽底了。

蜡烛为什么会随着杯子沉到槽底呢?

其实,这是靠了空气压力帮助而实现的。当杯口平压到水面时,占在里面的空气不会跑出来,所以水也挤不进去。等杯子继续压下,杯内的空气受到水的压缩(因为外面的大气在对水压缩)。我们都学过空气有压缩性和弹性,当杯内空气的体积缩小时,它的压强就增大,于是杯内的压强大于外面的大气压强,结果杯内的压强就会阻止水进入杯中,一直到杯口触及水槽底部。所以浮在水面上的蜡烛也就垂直下降,直到沉底。

这个实验也可以这样做:先将杯子横着浸没在水里,让杯内盛满水,把蜡烛塞进杯里,让杯子口朝下竖直,这时蜡烛位于倒置的杯子底部。拿住杯底,小心地将它平提出水面,只要不让杯口出水,大部分在水面以上的杯子里仍装满着水,而蜡烛更是“高高在上”。试试看,你能不能解释其中的科学道理?

自动旋转的秘密

你仔细观察过运动中的推土机吗?如果观察过,你就会发现,推土机是在两条叫做“履带”的金属带子上运动的。当两条履带以相同的速度滚动时,推土机沿直线前进;当左边的履带滚动变快时,它会产生一个离心力,从而使推土机向右转;同样的,当右边的履带滚动较快时,推土机向左转。

实验材料和用具:空的牛奶纸盒、钉子、60厘米长的绳子、水槽、水

实验步骤:

用钉子在空牛奶盒上扎5个孔,如图所示,1个孔在纸盒顶部的中间,另外4个孔在纸盒4个侧面的左下角,将一根大约60厘米长的绳子系在顶部的孔上。打开纸盒口,在水槽里快速地将纸盒灌满水,然后把它从水龙头旁边拿开,你会看到纸盒按顺时针方向旋转。你能说出喷出的水柱和纸盒的运动之间有什么联系吗?这些水柱和推土机的履带有什么相似之处吗?

假设把孔扎在每个侧面的中间,这会对纸盒的旋转会产生什么影响呢?要使纸盒向相反的方向旋转,这些孔应该扎在什么位置呢?

其实,水流产生大小相等而方向相反的力,纸盒的4个角均受到这个推力。由于这个力作用在每个侧面的左下角,所以纸盒按顺时针方向旋转。

如果在每个侧面的中心扎孔,纸盒不会发生旋转。尽管4个力仍然存在,但是它们大小相等、方向相反,而且作用在一条直线上,因此相互抵消掉了。同理,如果孔位于每个侧面的右下角的话,纸盒就会按逆时针方向旋转。

拱形物体耐压的原因

物体能承受压力的大小与它的形状关系密切,这是一条重要的力学原理。下面的实验就是这一原理的具体应用。

实验材料和用具:2本厚书、2个纸条(宽5厘米、长12厘米)、火柴、胶水

实验步骤:

1.把2本厚书放在书桌上,把纸条搭在2本书中间,试试看在纸条上能否承受一个火柴盒。

2.把纸条弯成弧形,卡在2本书之间,在上面放个火柴盒,看其能否承受得住。

3.顺长将纸条折5次成褶条,搭在2书之间,把1瓶胶水放在褶条上,看能否承受得住。

实验表明,拱形物能把外来的压力均匀地向两侧分散,因此能承受较大的压力。我们的祖先很早就发现了这一性质,建造了世界上最古老的赵州石拱桥。把纸折成褶条,会使它刚性加大,更加坚固。因为放在上面的胶水瓶向下的作用力是沿着褶条长度而分配的,所以能承受较大的压力。

蜡烛抽水机

抽水机的原理是使一边空气压力减少,压力大的一边的水自然要流过来。

实验材料和用具:玻璃杯、蜡烛、比玻璃杯口稍大的硬纸片、塑料管、凡士林少许、火柴、水半杯

实验步骤:先将塑料管折成门框形,一头穿过硬纸片。再把两只玻璃杯一左一右放在桌子上。将蜡烛点然后固定在左边玻璃杯底部,将水注入右边玻璃杯中。在放蜡烛的杯子口涂一些凡士林,再用穿有塑料管的硬纸片盖上,并使塑料管的另一头没入右边杯子水中。你会看到,水从右边流入左边的杯子中了。

这是因为蜡烛燃烧用去了左边杯中的氧气,瓶中气压降低,右边杯压力使水向左杯流动,直到两杯水面承受的压力相等为止。到那时左杯水面高于右杯水面。

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