專題十六設(shè)計(jì)與自制教具中物理問題一、物理自制教具主要作用通過自制教具，不僅能節(jié)省開支，解決教學(xué)儀器不足的問題，保證實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的順利進(jìn)行，而且教具的制作和使用，還具有以下好處：1.良好的教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)踐表明：自制教具的結(jié)構(gòu)及使用方法簡(jiǎn)單，很直觀，能幫助學(xué)師生領(lǐng)會(huì)、理解問題。無論是教師還是學(xué)生，使用自己自制的教具很熟練，很能夠說明問題，產(chǎn)生的效果很好，有一些自制的教具比上級(jí)部門配置的儀器還好用，正像李政道教授所說的：“自己制作的教具，永遠(yuǎn)比買來的好?！?.自制教具，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)求知欲。在開展的課外科活動(dòng)中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)問題，鼓勵(lì)學(xué)生就地取材，利用生活中的一些廢舊物品，動(dòng)腦、動(dòng)手做一做教具，學(xué)生成功時(shí)就會(huì)對(duì)物理科學(xué)產(chǎn)生興趣，體會(huì)學(xué)好物理知識(shí)的好處，品嘗創(chuàng)造發(fā)明的樂趣，就會(huì)產(chǎn)生愛學(xué)物理的想法，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、求知欲就會(huì)加強(qiáng)。通過開展這些低成本的實(shí)驗(yàn)，還能培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的思想，開拓學(xué)生的眼界，擴(kuò)大了知識(shí)面，學(xué)到了課堂上學(xué)不到的知識(shí)，使學(xué)生體會(huì)到生活、技術(shù)中的物理，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。3.開展自制教具活動(dòng)，有利于培養(yǎng)師生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。對(duì)辦學(xué)條件較差的農(nóng)村中學(xué)，開發(fā)研究自制教具有著重要意義，這不僅可以改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，而且對(duì)師生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，創(chuàng)新意識(shí)等科技素質(zhì)的提高有很好的促進(jìn)作用。學(xué)生都有好奇心，這是產(chǎn)生創(chuàng)新的內(nèi)在動(dòng)力。自制教具從設(shè)想開始到動(dòng)手設(shè)計(jì)、制作定型，要經(jīng)理思考、論證。從發(fā)現(xiàn)問題到設(shè)計(jì)出教具，師生的創(chuàng)新思維會(huì)得到培養(yǎng)，動(dòng)手能力會(huì)得到提高。二、物理自制教具主要類型1.用來演示物理現(xiàn)象的自制教具楊振寧教授認(rèn)為：“很多學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中形成一種印象，認(rèn)為物理學(xué)就是一些演算。演算是物理學(xué)的一部分，但不是最重要的部分，物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的。絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源。”初中自制教具的常見內(nèi)容：慣性、流體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系、電流的效應(yīng)、超重失重現(xiàn)象、靜電感應(yīng)現(xiàn)象、電磁感應(yīng)現(xiàn)象、光的反射、折射現(xiàn)象，壓縮氣體溫度升高、氣體急速膨脹時(shí)溫度下降現(xiàn)象等。如：《探究聲音的產(chǎn)生》、《測(cè)平均速度》、《研究摩擦力》、《研究流體的壓強(qiáng)與流速的關(guān)系》、《研究杠桿的平衡條件》、《研究平面鏡成像》、《測(cè)量斜面的機(jī)械效率》，還有課本上設(shè)置的許多有趣實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)都可以用自制的教具來完成。2.用來模擬物理現(xiàn)象的自制教具在物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成配置的儀器中有許多現(xiàn)成的物理模型，如“磁感線模型”、“眼球模型”，“布朗運(yùn)動(dòng)模擬演示器”等。在自制教具中，也出現(xiàn)了很多模擬物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)作品，諸如：汽輪機(jī)等。3.用來探究和揭示各種物理規(guī)律的自制教具在中學(xué)物理教學(xué)中，涉及到的物理規(guī)律很多，諸如：阿基米德原理、歐姆定律、焦耳定律等，物理規(guī)律來之于實(shí)驗(yàn)，而實(shí)驗(yàn)方法和手段不斷推陳出新，為自制教具提供了廣闊的天地。如：利用數(shù)碼照相機(jī)制作“頻閃照片”，就是近年來新技術(shù)出現(xiàn)后引入的新實(shí)驗(yàn)器材和方法。4.簡(jiǎn)易模型常見的制作或發(fā)明如：簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)、簡(jiǎn)易發(fā)電機(jī)、自制照相機(jī)、自制收音機(jī)、門鈴、延時(shí)開關(guān)、日光燈電路、簡(jiǎn)易熱機(jī)、靜電除塵裝置、自制簡(jiǎn)易金屬探測(cè)器、太陽能路燈原理演示裝置，自制門電路、溫度傳感器、簡(jiǎn)易動(dòng)圈式揚(yáng)聲器、靜電風(fēng)車、電子秤測(cè)量原理演示裝置、電飯鍋控溫原理裝置、傳感器應(yīng)用——闖紅燈照相、火力發(fā)電演示實(shí)驗(yàn)、磁流體發(fā)電機(jī)等。5.自制各種物理實(shí)驗(yàn)工具及測(cè)量?jī)x器初中物理中涉及到的如測(cè)長(zhǎng)度的一些儀器：刻度尺、天平、秒表、透鏡、彈簧秤、電流表等。三、自制教具中中考題解析【例題1】制作簡(jiǎn)易氣壓計(jì)，觀察大氣壓隨高度的變化。(1)如圖所示，在玻璃瓶中倒入適量紅色的水，將插有玻璃管的橡皮塞塞緊瓶口，紅水升到玻璃管一定的高度，但高度不夠，你應(yīng)_______________________，使水上升到瓶口以上適當(dāng)位置，制成了簡(jiǎn)易氣壓計(jì)。(2)將簡(jiǎn)易氣壓計(jì)從四樓移到一樓過程中，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)水柱_________________________，說明______________________________。(3)小明將簡(jiǎn)易氣壓計(jì)放在陽光下，過一會(huì)兒，他發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)水柱發(fā)生了變化，這一現(xiàn)象說明，簡(jiǎn)易氣壓計(jì)的測(cè)量結(jié)果會(huì)受到______________影響。（4）如圖自制的簡(jiǎn)易氣壓計(jì)，瓶中水面上方是空氣，在圖示的狀態(tài)下，瓶?jī)?nèi)的氣壓______瓶外的大氣壓．小明同學(xué)將氣壓計(jì)從山下拿到山上后，細(xì)玻璃管內(nèi)的水柱高度會(huì)______，原因是大氣壓隨高度的增加而______．答案：（1）向瓶?jī)?nèi)吹適量的氣；（2）下降；高度越高，大氣壓越低；（3）外界溫度（4）大于。升高，減小．解析：（1）向瓶?jī)?nèi)吹適量的氣，增大瓶?jī)?nèi)上方空氣壓強(qiáng)，瓶?jī)?nèi)液體就會(huì)被擠壓到玻璃管里，沿著玻璃管上升。（2）將簡(jiǎn)易氣壓計(jì)從四樓移到一樓過程中，發(fā)現(xiàn)玻璃管內(nèi)水柱下降，高度越高，大氣壓越低；氣壓計(jì)高度越低，大氣壓越高。（3）氣壓計(jì)放在陽光下，其周圍環(huán)境溫度升高，玻璃管內(nèi)水柱發(fā)生了變化。說明氣壓與溫度有關(guān)系。（4）瓶中水面上方是空氣，如果此處的氣壓等于瓶外的大氣壓，管內(nèi)和瓶?jī)?nèi)的水面應(yīng)該相平．現(xiàn)在是管內(nèi)的水面高，說明瓶?jī)?nèi)的氣壓高于瓶外大氣壓；將氣壓計(jì)從山下拿到山上后，大氣壓減小，管內(nèi)水柱高度會(huì)增加，說明大氣壓隨高度的增加而減小?！纠}2】如圖是小明制作的簡(jiǎn)易“蒸汽船”模型。將盛有一定量水的銅制容器安裝在“船體”上，用蠟燭對(duì)銅制容器底部加熱，一段時(shí)間后銅管會(huì)向右噴蒸汽，“蒸汽船”就向左行駛。（1）蠟燭對(duì)銅制容器底部加熱導(dǎo)致容器內(nèi)水溫升高，這是通過的方式改變水的內(nèi)能。（2）當(dāng)管向右噴落汽時(shí)“船體”獲得噴出的蒸汽對(duì)其向左的推力，這說明了。【例題3】某制作小組所設(shè)計(jì)的電飯鍋，其結(jié)構(gòu)如圖所示，控制系統(tǒng)中的感溫磁體與受熱面固定在一起，當(dāng)溫度低于103℃時(shí)，感溫磁體具有磁性。煮飯時(shí)用手向下按動(dòng)開關(guān)，通過輕質(zhì)傳動(dòng)桿AOB使永久磁體和感溫磁體吸合，觸點(diǎn)閉合，電路接通，發(fā)熱板開始發(fā)熱。當(dāng)溫度達(dá)到103℃時(shí)，感溫磁體失去磁性，永久磁體受重力及彈簧的彈力作用而落下，通過傳動(dòng)桿使觸點(diǎn)分開，發(fā)熱板停止發(fā)熱。（1）畫出使觸點(diǎn)分開時(shí)B點(diǎn)受到的力和力臂。（2）若用4N的力按下開關(guān)，B端受到的阻力為1N，則動(dòng)力臂和阻力臂之比為，如果手按下的距離為0.5cm，則永久磁體和感溫磁體之間的距離至少是cm。（3）用電飯鍋燒水（在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下），水沸騰時(shí)（能/不能）自動(dòng)斷電。答案：（1）見解析圖；（2）1：4；2；（3）不能。解析：永久磁體受重力及彈簧的彈力作用而落下，畫出使觸點(diǎn)分開，由此畫出B點(diǎn)受到的力，再由畫出其力臂；根據(jù)杠桿的平衡條件計(jì)算動(dòng)力臂和阻力臂之比；根據(jù)功的原理計(jì)算永久磁體和感溫磁體之間的距離；根據(jù)水的沸點(diǎn)結(jié)合感溫磁體失去磁性的溫度分析解答。（1）由題知，永久磁體受重力及彈簧的彈力作用而落下，則使觸點(diǎn)分開時(shí)B點(diǎn)受到的力是豎直向下的，由此畫出B點(diǎn)受到的力，再由支點(diǎn)O作這個(gè)力作用線的垂線段，即為其力臂L，如圖所示：（2）若用4N的力按下開關(guān)，即動(dòng)力FA=4N，B端受到的阻力FB=1N，（3）由題知，當(dāng)溫度達(dá)到103℃時(shí)，感溫磁體失去磁性，永久磁體受重力及彈簧的彈力作用而落下，通過傳動(dòng)桿使觸點(diǎn)分開，發(fā)熱板停止發(fā)熱，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的沸點(diǎn)為100℃，則水沸騰時(shí)感溫磁體不會(huì)失去磁性，故不能將觸點(diǎn)分開而自動(dòng)斷電。四、與自制教具有關(guān)的物理訓(xùn)練題（含答案與解析）1.小宇給家里樓頂?shù)乃渲谱髁艘粋€(gè)自動(dòng)加水裝置，初步設(shè)計(jì)如圖所示，將兩個(gè)完全相同的實(shí)心圓柱體A、B通過細(xì)線與一壓力傳感開關(guān)相連，吊在水平放置的圓柱形水箱中，已知每個(gè)圓柱體重為6N，底面積為50cm2．當(dāng)水箱儲(chǔ)水深度降到10cm，圓柱體B一半浸在水中時(shí)，壓力傳感開關(guān)所受拉力達(dá)到10N，其閉合開始加水。（細(xì)線質(zhì)量與體積均忽略不計(jì)，g取10N/kg）請(qǐng)求：（1）剛開始加水時(shí)，水箱底部所受水的壓強(qiáng)。（2）圓柱體的密度。（3）當(dāng)水箱儲(chǔ)水深度達(dá)到1.5m時(shí)，壓力傳感開關(guān)所受拉力為5N，其斷開停止加水，求應(yīng)設(shè)計(jì)A、B間細(xì)線的長(zhǎng)度。答案：（1）剛開始加水時(shí)，水箱底部所受水的壓強(qiáng)1×103Pa；（2）圓柱體的密度1.5×103kg/m3；（3）A、B間細(xì)線的長(zhǎng)度1.3m。把2個(gè)圓柱體看作一個(gè)整體，受向上的浮力、向上的拉力和向下的總重力，由力的平衡條件可得：F浮+F拉=G，此時(shí)圓柱體B受的浮力：F浮=G﹣F拉=2×6N﹣10N=2N，由F浮=ρ水gV排得，圓柱體B浸在水中的體積：V排===2×10﹣4m3，由題知，此時(shí)圓柱體B一半浸在水中，則圓柱體B的體積：V=2V排=2×2×10﹣4m3=4×10﹣4m3，由G=mg=ρgV得，圓柱體密度：ρ===1.5×103kg/m3；（3）當(dāng)水箱儲(chǔ)水深度達(dá)到h2=1.5m時(shí)，壓力傳感開關(guān)所受拉力為5N，此時(shí)AB受到的總浮力：F浮′=G﹣F拉′=2×6N﹣5N=7N，由F浮=ρ水gV排得，AB浸入水中的總體積：V排′===7×10﹣4m3，AB間細(xì)線的長(zhǎng)度：h=h2﹣h1﹣△h=1.5m﹣0.1m﹣0.1m=1.3m。2.同學(xué)們用手邊的鉛筆可以做很多物理小實(shí)驗(yàn)，如圖所示。（1）圖甲中鉛筆的長(zhǎng)度是cm。（2）圖乙中插入水中的鉛筆看起來彎折了，這是光的現(xiàn)象。（3）圖丙中，用手指分別頂在鉛筆的兩端時(shí)，兩只手指的凹陷程度和感覺不同，是由于壓力的作用效果與有關(guān)。（4）將一些細(xì)銅絲繞在鉛筆下端，制成一個(gè)簡(jiǎn)易密度計(jì)，如圖丁所示。如將此密度計(jì)先后放人水和某液體中，浸入部分長(zhǎng)度之比為4：5，則該液體的密度為kg/m3（細(xì)銅絲體積忽略不計(jì)）。答案：（1）3.00；（2）折射；（3）受力面積；（4）0.8×103。（2）水中鉛筆看起來變彎折，屬于光的折射現(xiàn)象，故B錯(cuò)誤；（3）鉛筆處于靜止?fàn)顟B(tài)，受到的兩手指的壓力是一對(duì)平衡力。據(jù)題可知，右邊手指更疼，這說明壓力的作用效果與受力面積有關(guān)；（4）設(shè)浸入水中的長(zhǎng)度為4h，浸入液體的長(zhǎng)度為5h，橫截面積為s，根據(jù)兩次都漂浮，鉛筆的重力等于排開液體的重力，ρ水gV排水=ρ液gV排液，ρ水g×s×4h=ρ液g×s×5h，ρ液==×1.0×103kg/m3=0.8×103kg/m3。3.某同學(xué)用鉛筆芯（主要成分是碳）自制簡(jiǎn)易愛迪生燈泡。他將直徑0.5毫米的鉛筆芯兩端接上導(dǎo)線，放入盛有少量澄清石灰水的廣口瓶中（如圖甲），連接12伏電源和電流表，閉合開關(guān)，鉛筆芯發(fā)出黃光并漸漸變亮，稍后漸漸變暗。斷開電路，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水變渾濁，鉛筆芯明顯變細(xì)。繼續(xù)通電，鉛筆芯燒斷掉落。（1）某時(shí)刻，電流表的示數(shù)如圖乙所示，為安（2）請(qǐng)?jiān)诖痤}紙圖丙中畫出該實(shí)驗(yàn)的電路圖。（3）瓶中的石灰水可起到作用。（4）實(shí)驗(yàn)中，鉛筆芯亮度漸漸變暗的原因是。（3）鉛筆芯在燃燒過程中可以產(chǎn)生二氧化碳和大量的熱，瓶中的石灰水可以檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w，也能防止熾熱的鉛筆芯掉落使瓶底破裂；（4）鉛筆芯在燃燒過程中變細(xì)，橫截面積變小，電阻變大，由于電源電壓不變，根據(jù)P=可得，鉛筆芯的實(shí)際功率變小，所以變暗。4.將紙餐盤、紙杯和吸管按照如圖方式粘合在一起即成“紙杯船”。（1）往紙杯里倒些水，水從吸管噴出時(shí)，紙杯船就會(huì)前進(jìn)，說明。（2）杯內(nèi)裝水越多，吸管噴水越遠(yuǎn)，因?yàn)?。答案：?）力的作用是相互的。（2）液體壓強(qiáng)隨深度增加而增大。解析：物體間力的作用是相互的，物體受到力的同時(shí)，也對(duì)另一個(gè)物體施加了力。液體壓強(qiáng)與深度和密度有關(guān)，p=ρgh。（1）往紙杯里倒些水，水從吸管噴出時(shí)，水給空氣一個(gè)向后的力，由于力的作用是相互的，故空氣給水一個(gè)向前的力，故紙杯船就會(huì)前進(jìn)。（2）杯內(nèi)裝水越多，吸管噴水越遠(yuǎn)，是因?yàn)檠b水越多，水的深度h越大；運(yùn)用液體壓強(qiáng)隨深度增加而增大；所以噴水越遠(yuǎn)。5.如圖所示，用鉛筆尖頂著一個(gè)紙風(fēng)車，置于一杯熱水上，風(fēng)車就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。以下敘述正確的是（）A．風(fēng)車靜止時(shí)，只受到重力的作用B．風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，只受到熱空氣推力的作用C．風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為水的熱能D．移去熱水，風(fēng)車由于慣性不會(huì)立即停轉(zhuǎn)答案：D6.如圖為木制玩具青蛙刮鼓，用木棒在青蛙背上摩擦，就會(huì)發(fā)出類似青蛙的叫聲，有時(shí)還能引起周圍青蛙的附和共鳴。下列說法正確的是A.青蛙刮鼓發(fā)出的聲音是由木棒振動(dòng)產(chǎn)生的B.模擬青蛙的叫聲是指音色相近C.青蛙刮鼓發(fā)出的聲音一定是噪聲D.能引起周圍青蛙的附和共鳴說明聲音能傳遞能量答案：B7．如圖所示，礦泉水瓶蓋側(cè)面可有凹凸不平的條紋，便于旋開瓶蓋；帶有橡膠塞的口服液所配置的吸管，其表面也可有棱狀條紋，便于吸上口服液，聯(lián)系所學(xué)的物理知識(shí)，分別說明上述兩個(gè)實(shí)例中條紋的作用。答案：礦泉水瓶蓋側(cè)面的條紋，可以增大接觸面的粗糙程度，增大摩擦，口服液吸管表面的條紋，可使空氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)，讓瓶?jī)?nèi)氣體與大氣相通，在大氣壓的作用下吸入口服液。8.如圖甲所示，是科技迷小明制作的“真空炮”模型：在一根兩端開口、內(nèi)壁光滑、水平放置的透明塑料管左端管口處，放置一枚彈丸；管口兩端各有一塊可自由開合的擋板；靠近管口右端連接一抽氣機(jī)。抽氣一段時(shí)間后，迅速將擋板1打開，彈丸便可沖開擋板2從管右端射出。彈丸從管口射出的出口速度與哪些因素有關(guān)呢？小明提出了如下猜想：A：與彈丸的形狀有關(guān)B：與彈丸的直