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略谈“微小形变”演示实验的放大设计

来源:不详       更新时间:2011-11-28 16:15:44
 

  在物理实验教学中,经常会遇到要演示一些变化效应微弱的物理现象,为使实验效果明显,可见度大,通常采用放大手段。物理实验中常用的放大手段有杠杆放大,光点反射放大,点光源投影放大,投影仪放大,弱电流放大等。本代主要谈谈几种“微小形变”演示实验的放大设计。

  一、指针偏转放大显示拉伸形变

  图1所示为固体热膨胀演示仪。A、B为两接线柱,C、D为两金属小滑轮,1为康铜丝,其一端固定于接线柱B,另一端与弹簧连接,2为弹簧,3为指针,其底端焊接在康铜丝上.实验前,康铜丝处于拉紧状态,且弹簧适当向上拉伸。接通电源后,通电部分康铜丝由于电阻的作用会产生焦耳热而膨胀,在弹簧的弹力作用下向左下方伸长,带动指针向上偏转;切断电源后,指针很快回到原位。显然,该装置是通过指针的偏转来放大显示康铜丝的微小拉伸形变(热胀冷缩)。

  指针偏转放大法(杠杆放大法)是利用有固定转轴的指针的微小变化作用于指针杠杆的短臂,而观察点则在长臂的顶端,观察的显著程度取决于长臂与短臂的比值.

  二、反射光点移动放大显示桌面形变

  图2为演示桌面微小形变的实验装置。一束光线依次被平面镜M和N反射,最后射到刻度尺L上,形成一个光点,当用力压桌面,镜子就要向箭头所示的方向倾斜,由于两面镜子之间的距离较大,光点就会在刻度上有明显的移动,而把桌面的微小形变显示出来。

  光点反射放大法是使光的反射角的微小变化通过反射线投射到远处光屏上的光点的移位来显示,其变化的显著程度取决于反射镜至光点投射之间的距离。这种放大法通常也叫“光杠杆放大法”。

  图2实验正是利用光在均匀媒介中的直线传播和平面镜组对光线的两次反射,由两次反射角的变化使反射线在刻度尺L上的明显移位设计而成。光点反射法是物理实验中常用的放大方法。如卡代迪许设计的测量万有引力的著名扭秤装置,就是巧妙地运用了光点反射放大法才解决了测量石英丝微小扭转角的难题,进而算出两球间的引力。

  三、细管液面升降放大显示瓶体形变

  图3所示为用椭圆墨水瓶演示固体形变的实验。双手用劲紧捏瓶时,难以观察出瓶体本身的形变。但是若在瓶中插入毛细管,当用手沿瓶短轴方向紧捏时,毛细管中的红色液面会明显上升;当沿瓶长轴方向紧捏时,毛细管中的液面会明显下降。可见,放大后的形变效应十分明显。

  细管液面升降放大法是通过透明细管中的有色液面的上升或下降来反映某种物理量(如体积、温度、压强、热量、内能等)的微小变化,其显著程度取决于细管直径的大小。细管液面升降放大法在热学演示实验中用得比较多。如用空气温度计或微小压强计来演示诸如比热实验、热辐射实验、液体蒸发致冷实验、焦耳定律实验、克服摩擦力做功增加内能实验等,实际上都是运用了细管液面升降放大法。

  四、投影放大显示支架形变

  图4所示的支架受力问题,对于初学者来说,力F对支架的两根梁产生怎样的作用?光看这静态图,学生很难想象和正确判断。如能把在O点挂重物后NO梁和MO梁的形变显示出来,该难题不就迎刃而解了吗?为此,可设计这样一个演示实验,用一木杆代替NM边,用一细绳代替NO,一细竹条代替MO,用投影仪将实验投影放大到银幕上,当用手向下拉O点(相当于在O点施加了一个重物的拉力F),学生从银幕上可清楚地观察到MO梁发生了弯曲,NO梁则产生了伸长.通过实物投影后,静态变成了动态,且支架的微小形变放大得清晰可见。

  随着电化教育的广泛深入开展,幻灯与投影等在物理教学中用得极多.特别是物理实验中一些微小变化现象的放大显示,常用到投影仪.可以说,投影放大也是物理实验教学中最常用的放大设计方法之一.

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