医用注射器的主要特点是密封性好、透明度高、直观明显、用途广泛,是物理实验室里最常见的器材。现列举注射器在演示实验和课外探究实验中的巧用妙法数例。
1 利用注射器探究压力的作用效果与受力面积的关系
将可乐瓶装半瓶水,取下注射器的针头,用力扎可乐瓶,结果扎不破可乐瓶,没有水从可乐瓶流出;装上注射器的针头,用同样大小的力再扎可乐瓶,瓶子被扎破,抽出针头,有水从可乐瓶流出。由此说明,当压力一定时,受力面积越小,压力的作用效果越明显,即压强越大。
2 利用注射器可探究大气压强的存在及方向
①把针头去掉,把活塞从针筒中取出,然后用橡皮膜将注射管头部密封后(或用手堵塞住),针筒中灌满水,用厚纸片盖住针筒口,可以观察到厚纸片在空中不落下,将橡皮膜拿去(或松开堵住的手)时厚纸片落下。②把注射器的针头去掉,左手拿好针管,右手向后拉动活塞至针管末端,感受右手用力的大小,松开手即可观察到活塞静止不动。把注射器的活塞推到管口,左手拿好针管,食指堵住注射器的管口,右手再次向后拉动活塞,会感到比前次用力大了许多;左手不动,松开右手,可观察到活塞自动返回管口处。③将去掉针头的注射器管口没入水中,向后拉动活塞可观察到水慢慢地流入针管内。当水进入针管2/3左右时,取出针管让管口朝下,可观察到水不会从管口流出;向上拉动活塞直至活塞从针筒中拔出,这时观察到水从管口流出来。④用大号注射器(最好是容量超过40ml的),先抽水后排水,然后用橡皮膜封住注射头,用力拉活塞和管筒,却很难将它们分开;将橡皮膜去掉,就能轻而易举地把它们分开。这个实验可代替马德堡半球实验。
实验证实了大气压是真实存在的,并且大气压朝着各个方向都有压强。
3 利用注射器等器材可粗测大气压强的值
医用注射器的筒壁上标有刻度(即针筒的容积),利用其刻度可以粗略地测大气压值。具体方法如下:①把注射器的活塞推至注射器筒的底端,然后用橡皮帽堵住注射器的小孔,这样做的目的是排尽管内空气;②如***1所示,用细尼龙绳拴住注射器活塞的颈部,使绳的另一端与弹簧测力计的挂钩相连,然后水平向右慢慢拉动注射器筒,当注射器中的活塞水平向右匀速缓慢移动时,记下弹簧测力计的示数为FN,记下活塞所在位置时体积为VL。③如***2所示,用刻度尺测出注射器全部刻度的长度为Lm,计算出活塞的横截面积;④计算得到大气压强P=(F×L)/V Pa。
4 利用注射器演示气体液化的方法
如***3所示,取一支大的注射器,拔动活塞使注射器里吸进一些乙醚,取下针头,用橡皮帽把注射器的小孔堵住,向外拉活塞到一定程度时,注射器里的液体乙醚消失,全部变为乙醚蒸气,然后推动活塞,压缩乙醚蒸气体积,当乙醚蒸气被压缩到一定程度时,试管内会有液态乙醚出现,这表明增大压强可以使气体液化。
5 利用注射器探究液体沸点与压强关系
做液体沸点与压强关系的实验,教材中的做法不能直观地反映出液面上气体压强减小究竟能使多少摄氏度的水沸腾,可用注射器改进此实验(如***4所示)。取一个锥形瓶,瓶内注入95℃左右的水(水温最好高于90℃),瓶口塞进橡皮塞,塞中穿入一支水银温度计。把100ml针筒活塞推到底部,然后把锥形瓶的侧嘴与100ml的注射器用硬胶管连接。实验开始,先观察水银温度计示数,如果是94℃,此时把针筒活塞抽出一段,液面上方气体压强减少,水沸点降低,94℃的水开始沸腾,若推进活塞,液体上方气体压强增大,水沸点升高,沸腾停止,稍候在温度计读数降到86℃时,重复以上做法,同样能看到沸腾现象。
6 用注射器做与液体压强有关的实验
6.1演示帕斯卡原理
选取一个乒乓球,用大头针在乒乓球上扎一些小孔,再刺一个稍大的孔,在大孔里紧插一小段橡皮管,把注射器与橡皮管连接起来,然后将球浸到水里,拉起注射器的活塞,使乒乓球和针筒里吸进适量的水,然后把球从水中提起来,最后用力推活塞,可以看到水从乒乓球的小孔里朝各个方向射出来。
6.2演示液压机原理
选取一大一小两个注射器,先给一个注射器中吸取一定量的水,然后用橡皮管将两个注射器的管口相连就成了简易的液压机。在小活塞上加上一个较小的砝码,在大活塞上就可以顶起一个较大的砝码(也可以用两只手同时向下压活塞,便可以感受到大活塞上的压力明显大于小活塞上的压力。)
6.3演示连通器的原理
将上例中的“液压机”的活塞抽掉,就做成了连通器。向一个针筒中注入水,便可以观察到两针筒中的水面总是相平的。这也说明了液体的压强与深度有关,而与容器的大小、形状、面积、液体的重力等因素无关。
7 利用注射器探究液体压强与流速的关系
如***5所示,两只纸船漂浮在水面上静止不动,用大注射器向两船之间的水面快速注水,两船将向中间靠拢,由于两船中间的水比两船外侧的水流速大,两船外侧的水的压强比内侧的水压强大。实验表明:流体的流速越大的位置压强越小。
8 利用注射器探究潜水艇“上浮下沉”的原理
如***6所示,取一个小塑料瓶(如空浆糊瓶),在瓶身上扎几个针眼,瓶口塞上橡皮塞,橡皮塞插入一根两端开口的饮料管,再在橡皮塞上插入一根一次性输液管的针头,输液管另一端与注射器针头插座相连,浆糊瓶绑上有色重物作为配重,使它平衡,同时可以增加小瓶浮沉时的可见度。演示时,将小瓶放到大玻璃水槽中,扎在瓶身上的针眼没在水面下,使瓶漂浮,用注射器从小瓶中抽气,小瓶里水增多,往小瓶中压气,小瓶中的水减少,控制进入小瓶内的水量,小瓶就会在水中下沉、上浮或悬浮。这样就形象地演示了潜水艇的工作原理。
9 利用注射器探究自动放水器工作原理
学生对魔术“一小杯水获得一大杯水”、公共厕所自动放水等原理很感兴趣。可用注射器针管连接一根输液管演示,针管里先装入大半管水,弯曲的输液管顶点高于液面,当贮水器(针管)里的水达到输液管顶点时,容器里的水会被虹吸管(输液管)自动放完为止。
10 利用注射器探究“当物体对外做功时物体内能减少温度降低”的实验
取一支50ml的大注射器(不带针头),从烧杯中吸适量水到注射器针筒内,让水湿润注射器简壁。再将注射器针筒内的水全部倒回烧杯中。然后吸人约50ml的空气到注射筒内。用左手握注射器,给注射器筒壁上附着的水加热一会儿,加快筒壁上水的蒸发,增大注射针筒内空气中水蒸气的浓度。用左手拇指堵住注射器管口,将筒内空气密闭,右手用力推推筒,将注射器筒空气压缩到约20ml。让注射器内空气将拇指推开。在空气膨胀将手指推开时,可以清楚地观察到注射器管口冒出了枭枭“白烟”。实验现象不仅清楚,而且持续时间长。在管口出现的雾就象从工厂的烟囱缓缓升起的白烟,再用右手将注射器筒内剩余的约20ml的空气慢慢推出,随着空气的推出,管口也缓缓地升起“白烟”,给学生留下非常深刻的印象。据此现象,学生感知到了空气推动手指做功时,温度降低,自然而然得出“物体对外做功时,本身的内能减小”的结论。由感性认识上升为理论。
11 利用注射器螺母和细线制成“土密度计”比较常见液体的密度与水的密度的大小关系
用橡皮泥封住注射器针头空隙,带上橡皮帽,用细线一端系住螺母,另一端系注射器管壁,让注射器漂浮在液体上,此时注射器就是一支“土密度计”了。让“土密度计”漂浮在水中,记下水面在注射器的位置,再让“土密度计”漂浮在其它液体中,如果液面位置在水面位置上方,说明液体的密度比水的密度小;如果液面位置在水面位置下方,说明液体的密度比水的密度大。
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