对微小形变演示实验设计的一些思考

　　摘要：目前中学采用的微小形变演示实验主要可以分为光学放大法、力学放大法和电学放大法，通过对已有实验的归纳总结，不断设计更多新的演示实验，以激发学生学习兴趣，
　　关键词：微小形变;演示实验;光学放大;力学放大
　　1 从已有实验获得的灵感
　　1.1 光学放大法
　　光学放大法又称为光杠杆放大法，人教版高中物理教材采用的即是这种方法.该实验的基本原理如图1所示，一束激光通过M和N两面平面镜的反射，会在较远处的墙壁上形成一个光点.当对桌面施加一个向下的压力，两平面镜会向中间产生微小倾斜，激光最初的入射光线方向不变，那么它与平面镜M之间的入射角以及反射角就会减小，同样在平面镜Ⅳ上的入射角和反射角也会减小，从而墙上的光点就会下移.这里入射角和反射角的同时减小对微小形变进行了第一次放大，实验时增大平面镜与墙壁间的距离可以对微小形变再次放大，这样就会观察到光点发生了明显的移动.
　　1.2 力学放大法
　　（1）利用容器体积的变化来放大物体的微小形变
　　如图2所示，通过挤压椭圆玻璃瓶观察细管中液柱高度变化，来观察物体的微小形变也是一种常用的方法.在该实验中，对玻璃瓶长轴的两端施加压力，玻璃瓶容积增大，细管中的水柱将会下降;对玻璃瓶短轴的两端施加压力，玻璃瓶容积减小，细管中的水柱将会上升.这里容器变化相同的体积，细管相对于玻璃瓶来说，横截面积较小，那么液面高度变化就会相当明显，从而达到将玻璃瓶的微小形变加以放大的目的.
　　（2）利用指针的旋转来放大物体的微小形变
　　图3是笔者参照天津市咸水沽第一中学刘钢老师，在《显示坚硬物体受力时发生微小形变演示实验的尝试》一文中的实验，利用身边常见的物品制作的一个简易桌面微小形变演示仪器.A和B是两个装有石头的薯片盒，A上面固定一玻璃棒，B上面贴有带刻度的半圆纸片，折成直角的细铁丝放在B上面.当向下按压桌面，A向内倾斜带动玻璃棒向右移动，和玻璃棒接触的C段铁丝发生滚动，随之D段铁丝发生转动.这样学生就能通过观察D段铁丝的转动，来显示桌面的微小形变.同时还可以通过观察铁丝转动角度的大小，来比较压力的大小与桌面微小形变量之间的关系.
　　1.3 对已有演示实验的思考
　　以上介绍的三个实验主要是从光学和力学的角度，对物体的微小形变加以放大.此外还有人利用电阻应变片，将物体的微小形变转换为应变片电阻的变化，并通过运算放大电路来放大电信号，从而表明微小形变的存在.显然这些实验尽管形式不同，其核心的设计逻辑都是物理实验中常用的轉换法，即先将物体不易观察的微小形变，转换成其它易于操作处理的物理变化，然后对该变化加以放大，最终让学生观察到某一个物理量所发生的明显变化.从这样的思路出发，可以预见物体的微小形变，必然还可以转换成更多的其它物理量的变化.受此启发笔者设计了如下一个简明有效的演示实验，来演示微小形变的存在.
　　2 实验设计
　　本实验的设计原理主要是将坚硬物体的微小形变转换成电路的通断变化，如图4所示，演示仪左边是一个支架，上面插有一根细铁丝.中间是一块玻璃板，上面放有一根铁钉，在玻璃板的下表面用一块小磁铁将铁钉固定在玻璃上（图上未画出）.支架上面的铁丝和玻璃板上面的铁钉处于刚好接触的状态，右边是一个固定在木板上面的基本电路，包括电源、开关和小灯泡，该电路通过导线与铁丝和铁钉连接在一起，从而形成闭合电路
　　对于该演示仪，当我们闭合开关，小灯泡就会发光，接下来用手指轻压玻璃板，小灯泡随即熄灭，这是由于玻璃板发生了微小形变，使原来刚好接触的铁丝和铁钉分离，此时电路处于断路状态.手指不再施加压力，铁丝和铁钉再次接触，灯泡也再次亮起来，这样就可以将玻璃板的微小形变，转换为电路的通断变化.另外由于中间的玻璃板是可以拆卸的，所以进行实验演示时，我们还可以将玻璃板换成其它材料，进行同样的操作，会发现所有的材料都会发生微小形变.该演示实验亦采用了转换法，且实验原理和操作简单，可以有效的帮助学生理解微小形变的存在.
　　3 小结
　　理论和实验是推动物理学前进的双腿，缺一不可，要真正做好物理教学，实验是必不可少的.加强对实验的开发和改进，一方面能够从学生的实际情况出发，提升教学效果;另一方面也能让教师更加深入、全面的认识实验，提升自身的教学素养.
　　参考文献：
　　[1]课程教材研究所.物理课程教材研究开发中心.人教版高中物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.
　　[2]刘钢，潘少利.显示坚硬物体受力时发生微小形变演示实验的尝试[J].教学仪器与实验，2014，30（09）：28 -29.