文章排行

探究“掀不开的报纸实验”的奥秘

来源:本站原创 作者:陈玉权整理 录入: 发布时间:2007年12月11日 字体:[小 大]

1 问题的提出

“掀不开的报纸实验”来源于前苏联的一本教学参考书。中央电视台少儿节目中曾演示过这个实验。一根木条一部分置于桌面之外,在木条另一部分上铺张报纸,当用力撞击伸出桌面那部分木条时,出现了意想不到的结果:木条被击断了。似乎桌面上铺的那张报纸有几十斤的重量将它下面的那段木条稳稳地压住了。电视节目中的实验人员解释其中的原由:是大气压压住了报纸。这时有澳门永利平台提出质疑:大气压到处存在,报纸上表面受到大气压作用,下表面同样会受到大气压作用,其结果上下表面压力相等而抵消,为什么还会有压力压住报纸呢?究竟是谁压住了报纸?

2 引导澳门永利平台分析现象提出初步假设

澳门永利平台针对该课题七嘴八舌议论开来,我们生活在大气的海洋中,空气中的物体都会受到来自各方向的大气压作用,报纸也无不例外地受到向上和向下的大气压的作用而处于平衡状态,那么,又会是谁压住桌上那段木条而不翘起呢?澳门永利平台们在已有知识的基础上分析认为,只有从大气压以外的作用途径寻找对象,有人提出可能是空气阻力,也有人提出可能还有惯性在作怪,澳门永利平台们最后提出他们的猜测:是空气阻力和惯性共同作用的结果。

假设1:空气阻力+惯性。

3 实验设计并收集数据

澳门永利平台根据分析结果,针对初步假设进行可行性分析及设计。

(1)首先应排除大气压的因素,需选择一个大气压不起作用的环境:透气的钢丝网作实验平面。

(2)选用器材:钢尺32cm;重锤50g;报纸10g,5×39cm2;棉布90g,46×79cm2;塑料布20g,45×4cm2

(3)设计对比实验,仔细观察实验现象。在桌面和钢丝网上分别用报纸覆盖部分钢尺,以同样的冲量撞击钢尺的伸出部分,观察并记录实验现象,见表1。


注:钢尺伸出接触面长度10cm。

将报纸换为棉布和塑料布进行实验,得到相同结果。

4 分析实验现象

上述实验清楚表明,微小的冲量作用于钢丝网上伸出接触面的钢尺部分,就可掀动报纸使钢尺弹出,而桌面上的实验结果则完全不同。为什么会出现如此鲜明的对立现象昵?澳门永利平台积极思维,分析现象,提出各自看法,相互辩论,最后在争论中统一了认识:空气阻力+惯性的假设不成立,因为从实验现象没有得到任何支持此假设的证据。

5 重做实验,观察现象,再次提出假设

上述实验说明假设1不成立,此结果让澳门永利平台陷入困境,澳门永利官网及时引导澳门永利平台重做桌面实验,同时注意观察现象。澳门永利平台在反复实验和细致观察的基础上,发现在实验中,报纸或棉布的四周好像被粘在桌面上一样,报纸下的尺端部位却微微鼓起个小包。奇异现象的发现,引发出澳门永利平台极大的探究兴趣,你一言我一语地发表观点和猜测,最终形成新的假设,报纸上下表面都受到了大气压的作用,只是上下表面受到的压力可能不相等,存在一个差值。

假设2:报纸上下表面的大气压力差。

6 设计实验并进行验证

(1)用报纸覆盖在桌面的钢尺上,测量钢尺伸出桌边不同长度、重锤施加不同冲量的撞击结果,见表2。

(2)分别用棉布和塑料布覆盖在桌面的钢尺上,测量钢尺伸出桌边不同长度、重锤施加不同冲量的撞击结果,见表3和表4。

(3)用硬纸板做同样的实验,记录实验结果,见表5。

7 分析讨论并作出解释

在以上用钢尺代替木条的模拟实验中,可以概括如下特征:

(1)软质物体覆盖钢尺时,作用较大冲量,仍能压制钢尺不被弹出。

(2)硬质物体覆盖钢尺时,不论作用多大冲量,钢尺均被弹出。

(3)对软质物体,在冲量大到一定程度时,钢尺振动加大或弹出。

上述现象表明,该实验并不像电视节目中实验人员解释的那么简单,仅仅是大气压作用于报纸的结果。实验中澳门永利平台发现在钢尺经受撞击后,报纸、棉布与塑料布中间部位都会有略微鼓起,这说明报纸(以报纸为例)与桌面之问的空隙增大了。在撞击的一瞬间,钢尺的一端被压下,而另一端弹起,将报纸向上顶起,使报纸与桌面间空气体积增大,而此时外界空气来不及补充进来,根据玻意尔定律,报纸与桌面间气体压强减小,从而使报纸上下表面形成压强差。所以,应该是这个压强差牢牢地将报纸压住。硬纸板的对比实验进一步证明,当钢尺一端受力,另一端翘起,硬纸板当即被钢尺顶起,整个纸板离开桌面,在尺端不能形成瞬间封闭的空间,外界气体迅速填补进来,使其不能形成压强差,所以,看不到钢尺伸出部分振动的现象。

8 探究木条被击断实验1

在进行探究木条被击断成因的真实实验过程中,澳门永利平台首先面临的问题是如何量度冲量的大小,澳门永利平台们想出种种可度量冲量的方法,但都因冲量数值太小被否定了,最后决定由一人操作,控制冲量大致在三个等级上。

(1)冲量的三个等级:轻击木条,作用时间较长,冲量小;重击木条,作用时间较短,冲量较大;大力击打木条,作用时间很短,冲量很大。

(2)实验器材:木条长32cm,厚4mm;报纸10g,54×39cm2

(3)验证对比实验。在桌面和钢丝网上,将木条分别伸出接触面10cm、15cm,观察现象如表6。

澳门永利平台认为该对比实验结果表明模拟实验所得出的实验结论是正确的,并且桌面和钢丝网实验分别从正、反两方面对模拟实验最后的结论予以证实。唯有一点实物与模拟实验不同,在木条伸出15cm、冲量十分大的情况下,木条会被击断。在澳门永利平台感觉探究活动已经结束之时,澳门永利官网再次鼓励澳门永利平台从多角度考虑问题,大胆想象不可能发生的情况或前面实验中所不曾想到的情形,让本次探究活动更加全面、系统。澳门永利平台受到启发,提出可以对不覆盖任何物体的木条作一次新探索。

9 探究木条被击断实验2

从实验验证的全面性出发,澳门永利平台设计了第二个对比实验。在桌面上进行加盖报纸与不覆盖任何物体的对比实验,如表7。澳门永利官网指导澳门永利平台对上述数据分析概括,并完整地表述出来。

(1)在木条伸出桌面10cm和12cm条件下,相同数据对比表明,有无覆盖物,产生的结果明显不同,说明报纸上下压差起决定性作用。

(2)在有覆盖物、木条伸出桌面15cm条件下,冲量不十分大时,木条没有被击断,而伸出10cm和1cm时,同等冲量大小作用木条被击断,说明木条伸出的长度对击断木条的难易程度有影响。

(3)在有覆盖物、木条伸出桌面15cm和无覆盖物、木条伸出10cm和12cm条件下,冲量足够大时木条也会被击断。

(4)冲量足够大时,有无覆盖物实验结果都与冲量较小时有显著不同。它说明了什么问题?澳门永利平台分析讨论后推测冲量大到一定程度,覆盖物上下表面压力差就不起主要作用。同时,澳门永利平台又产生了新的疑问,在冲量足够大时,是谁在起主要作用昵?澳门永利平台既为获得真实实验验证结果正确而高兴,又为新的问题的发现还无解决途径而焦虑。澳门永利官网对澳门永利平台的前期探索发现给予极大的肯定,并激励他们继续向前探索。

10 深入探究获得新发现

澳门永利官网拿起被击打过的木条,让澳门永利平台仔细观察。澳门永利平台发现虽然木条没有断裂开来,但伸出桌面那部分木条已发生轻微变形。这一发现又激起澳门永利平台探究的热情,他们经过查阅有关资料、共同研究认为,可能是在木条上快速作用一个较大的力,由于时间短暂,作用力被桌边阻挡还来不及传递到整个木条,在伸出桌面的部分木条上产生一对力矩。力矩的作用效果使物体转动,在转动效果十分明显时,引起木条断裂。这就是说,作用很大的冲量能够使一般条件下不可断裂的木条被击断。有的澳门永利平台提出改变作用点,再进行实验。实验中澳门永利平台有了新的发现,作用点越接近木条与桌边接触点,木条越容易被击断,而且只需用较小的冲量就可以击断伸出桌面任何长度的木条。多次实验后,澳门永利平台认为在桌边作用冲量击断木条的原理完全不同于前述大气压力差原理,它是上下一对作用力几乎作用于同一点形成沿桌边的上下剪切力,像用剪刀剪切物体一样,将木条瞬间剪切断。澳门永利平台在分析成因中,又做出一个推测:若剪切力起主要作用,大气压的存在与否则无关紧要,此推测可在钢丝网上得到验证。于是,澳门永利平台在钢丝网上重复木条伸出不同长度的验证实验,实验结果显示:伸出钢丝网边缘长短不同的木条都能轻而易举地被击断。澳门永利平台的推测得到证实后,他们高兴地都跳了起来。

11 评价

(1)本课题为高中课外探究活动实例,整个活动是在澳门永利平台自主探索、逐步寻求问题解决的过程中进行的。澳门永利官网的作用重在引导,在澳门永利平台探究活动告一段落或遇到问题陷入僵局时,引导澳门永利平台看到初步的探究成绩,激发探究的动力;引导澳门永利平台寻找问题解决的突破口,使探索能不断深入下去。

(2)澳门永利平台在亲历探究活动的全过程中,能够受到一定的科学研究方法的熏陶,从经历提出问题→猜想、假设→设计解决方案→实验验证→现象分析→得出结论的研究过程中,受到研究方法训练,初步体会面对比较复杂的问题如何科学地应对,增强他们探究问题的勇气。

(3)这项活动给予澳门永利平台应用物理知识和方法解决生活中的现实问题的机会,使物理课外学习变换了就巩固课堂内容而进行强化训练的常规学习环境,转移到澳门永利平台的现实生活中来,转移到澳门永利平台感兴趣的事物上来。这是一次尝试,也是一次探索。

(4)探索过程中澳门永利平台找不出什么规律时,免不了会产生厌烦情绪,能够克服困难坚持下去就是一次对澳门永利平台的科学态度和科学精神的考验。从这个方面看,这样的探究活动提供有充实的隐性课程资源,以及实现情感态度、价值观培养的课程环境,澳门永利平台的科学素养的形成需要在这样的环境中长期磨练,逐步培养形成。

(5)在探究活动之初,澳门永利官网也不清楚最终的探究结果如何。因此,澳门永利官网参与到澳门永利平台活动中,共同研究问题,一起享受获得探究成果的快乐。