“密度天平”中的發(fā)明創(chuàng)造思維

1、“密度天平中的創(chuàng)造創(chuàng)造思維“密度天平是筆者在參加全國(guó)青少年第十屆科技創(chuàng)新大賽時(shí)指導(dǎo)的創(chuàng)造作品 ,并獲二等獎(jiǎng)。此外 ,密度天平還在首屆“長(zhǎng)江小創(chuàng)造家比賽中榮獲三等獎(jiǎng)。該作品應(yīng)用了初中物理學(xué)中的天平原理、杠桿原理、阿基米德定律等知識(shí) ,設(shè)計(jì)巧妙 ,是學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)過(guò)程中的成果?，F(xiàn)將其原理與對(duì)其創(chuàng)造思維的分析總結(jié)如下 ,希望對(duì)廣闊青少年學(xué)生和科技指導(dǎo)教師有所啟迪。一、密度天平的原理密度天平是根據(jù)初中物理課本中測(cè)量固體密度的內(nèi)容設(shè)計(jì)的。初中教材中固體密度的測(cè)量分三步完成：第一步：用質(zhì)量天平測(cè)質(zhì)量m；第二步：用排水法測(cè)體積V；第三步：計(jì)算密度：。密度天平巧妙地綜合了上述過(guò)程 ,其原理如圖1所示。AB為

2、天平橫梁 ,O為天平支點(diǎn) ,左端放質(zhì)量為M的待測(cè)物 ,右端放待測(cè)物完全浸沒(méi)在水中時(shí)排開(kāi)的質(zhì)量為m、體積為V的水。保持長(zhǎng)度不變 ,并確定為1個(gè)單位長(zhǎng)度 ,移動(dòng)排開(kāi)水的位置 ,使天平平衡 ,那么有因?yàn)榧僭O(shè)取為1個(gè)密度單位 ,那么有 ,取為1個(gè)單位長(zhǎng)度 ,那么有 ,即。這個(gè)關(guān)系式將測(cè)量固體密度的大小轉(zhuǎn)化為測(cè)量的長(zhǎng)度 ,以為一個(gè)長(zhǎng)度單位 ,確定好刻度后可直接讀出固體密度。二、對(duì)密度天平創(chuàng)造思維的分析1選題時(shí)進(jìn)行思維遷移與聯(lián)想我們知道 ,測(cè)量長(zhǎng)度、質(zhì)量、電流、電壓等物理量可通過(guò)尺、天平、電表直接測(cè)量 ,表征物體物理性質(zhì)的一些物理量 ,如電阻、液體密度也可以通過(guò)儀器、儀表直接測(cè)得結(jié)果。通過(guò)類似的例子引導(dǎo)學(xué)

3、生去聯(lián)想 ,其他物理量如密度、比熱等能否不通過(guò)計(jì)算而用專門儀器直接測(cè)得結(jié)果 ,由此引導(dǎo)學(xué)生確定選題。2構(gòu)思過(guò)程中的發(fā)散思維當(dāng)學(xué)生確定了創(chuàng)造測(cè)量密度專用儀器的選題后 ,接下來(lái)就是如何解決這一問(wèn)題 ,讓全班學(xué)生集思廣益后認(rèn)為可通過(guò)這樣的途徑來(lái)解決：1液體密度測(cè)量是否可對(duì)這一主題有所啟示；2尋找另一個(gè)聯(lián)系著質(zhì)量與體積比值關(guān)系的量直接解決問(wèn)題；3利用彈簧秤稱量物體在水中的與在空氣中的重量差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。1、3兩類思路很難實(shí)現(xiàn) ,可從第2種思路中尋找突破口。第一 ,抓住質(zhì)量與重量的關(guān)系；第二 ,抓住在杠桿平衡時(shí)重量與長(zhǎng)度的關(guān)系；第三 ,利用水的體積與質(zhì)量的關(guān)系及密度公式 ,并將三者綜合在杠桿平衡條件中 ,這

4、就是創(chuàng)造密度天平的構(gòu)思原理如前文所述。3制作過(guò)程的分析與綜合密度天平的支架可以選擇質(zhì)量天平的支架結(jié)構(gòu) ,制作中的一個(gè)突出問(wèn)題是 ,盛待測(cè)物的托盤(pán)和盛排開(kāi)水的燒杯所引起的無(wú)用力矩怎樣消除？盛待測(cè)物托盤(pán)重力不變且OA長(zhǎng)度不變 ,所以盛待測(cè)物托盤(pán)重力的力矩是不變的 ,容易消除。而盛排開(kāi)水的燒杯產(chǎn)生的力矩是隨OB長(zhǎng)度的變化而變化的 ,如何消除 ,又給學(xué)生提出了一個(gè)新問(wèn)題。經(jīng)過(guò)引導(dǎo)學(xué)生思考 ,得出最好的方法是在待測(cè)物體的同側(cè)懸掛一個(gè)與燒杯、盛燒杯的托盤(pán)等附件質(zhì)量相同的物體 ,它隨盛排開(kāi)水燒杯位置的變化而變化。當(dāng)OB的長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí) ,左端懸掛的小物體產(chǎn)生的力矩也隨著變化 ,且大小與盛排開(kāi)水燒杯、托盤(pán)等附

5、件產(chǎn)生的力矩時(shí)刻相等。這個(gè)方案是通過(guò)如圖2所示的滑輪調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。由于兩邊懸掛的重物質(zhì)量相同 ,分別懸掛在連接滑輪的兩條繩上 ,因而它們同時(shí)向兩邊移動(dòng) ,兩邊力臂時(shí)刻相等 ,力矩也時(shí)刻相等。另外的一個(gè)問(wèn)題是 ,測(cè)量物體的密度時(shí) ,保持物體在水中還是從水中取出來(lái)測(cè)量？物體從水中取出 ,物體外表的水就會(huì)對(duì)測(cè)量精度有影響。最好保持物體在水中 ,那么 ,此時(shí)左端是物體在水中的重量。測(cè)量原理中的關(guān)系式將要發(fā)生變化。G為待測(cè)物重量 ,F為完全浸沒(méi)時(shí)物體所受的浮力 , ,取為1個(gè)密度單位 ,OA為1個(gè)單位長(zhǎng)度 ,那么即如果為n倍的單位長(zhǎng)度 ,那么固體密度為n+1倍水的密度。這一巧妙的設(shè)計(jì) ,克服了由于排開(kāi)水時(shí)

6、物體沾水而需重新調(diào)節(jié)天平平衡所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。三、密度天平與研究性學(xué)習(xí)密度天平的創(chuàng)造是組織學(xué)生參與研究性學(xué)習(xí)的結(jié)果。盡管該創(chuàng)造還不十分完善 ,但是該作品卻包含了科學(xué)研究中的一些較好的方法：1對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算形式的簡(jiǎn)化 ,使公式更簡(jiǎn)潔；2對(duì)物理知識(shí)的巧妙結(jié)合；3研究過(guò)程中具有思維的遷移與聯(lián)想 ,分析與綜合 ,思維的發(fā)散與靈感的閃現(xiàn)等；4該創(chuàng)造也是當(dāng)初中學(xué)生學(xué)完物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)后 ,培養(yǎng)他們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力 ,鍛煉他們創(chuàng)造性思維的一個(gè)好課題 ,也是學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)的范例。另外這一課題中值得探討的問(wèn)題還很多 ,如與水反響的固體密度問(wèn)題 ,如何解決以不同密度的液體作為排開(kāi)液體時(shí)的刻度問(wèn)題克服化學(xué)反響 ,怎樣分析小體積物體的測(cè)量問(wèn)題提高精度 ,是否還有更好的測(cè)固體密度設(shè)計(jì)方案 ,都可作為探究式學(xué)習(xí)的內(nèi)容。四、組裝、調(diào)試和使用步驟1按如圖3所示組裝并調(diào)試好密度天平；2調(diào)節(jié)溢水杯 ,讓載物盤(pán)浸沒(méi)在水中 ,翻開(kāi)益水杯閥門 ,調(diào)節(jié)溢水杯的水位 ,直到水平靜不流為止 ,關(guān)閉閥