在物理課本選修3-1(人教版)上94頁4題:如圖1所示,把一根柔軟的彈簧豎直地懸掛起來,使它的下端剛剛跟槽中的水銀接觸.通電后,你預(yù)計(jì)會發(fā)生什么現(xiàn)象?怎樣解釋這個(gè)現(xiàn)象.該實(shí)驗(yàn)題中用水銀作為導(dǎo)電液體,因?yàn)樗y有毒,能不能用其它更安全的導(dǎo)電液體替代水銀來做該實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>
先用水銀做該實(shí)驗(yàn),在電壓為4V時(shí)就能使柔軟彈簧(勁度系數(shù)為2.3N/m)跳動,彈簧的最小跳起電流約為1.4A,在較高電壓(8V)時(shí)能夠得到更加明顯的現(xiàn)象:彈簧上下振動,電路交替通斷(教師參考書答案).但在實(shí)驗(yàn)中還可以觀察到更多的現(xiàn)象:在彈簧與水銀接觸處還有明顯的電火花產(chǎn)生,并伴隨著“啪”、“啪”的響聲,這一現(xiàn)象在教師參考書中沒有提到,理論分析時(shí)也是不容易得到的.
再用常見電解液食鹽水替代水銀做實(shí)驗(yàn),得到以下三大原因使得實(shí)驗(yàn)不能成功.
1、導(dǎo)線與食鹽水處接觸電阻較大:在電壓為16V時(shí),電路中的電流僅為0.2A,當(dāng)把食鹽水表面接觸處的導(dǎo)線插入食中食鹽水更深時(shí),電路中的電流會急劇上升到幾個(gè)安培,此時(shí),電路中雖然有大電流,但已經(jīng)不滿足實(shí)驗(yàn)要求導(dǎo)線與液面剛接觸的條件了.由此可知,只有在電壓達(dá)到112V時(shí)電流才達(dá)到彈簧的最小跳起電流1.4A,112V的電壓對于人體而言已經(jīng)是高電壓了,不太安全.
2、用食鹽水替代水銀做實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電解現(xiàn)象:與食鹽水接觸的負(fù)極銅導(dǎo)線處有無色氣泡不停放出,食鹽水中的H+得到電子,變?yōu)镠2放出,與食鹽水接觸的正極銅導(dǎo)線(為實(shí)驗(yàn)方便在彈簧下端接了一小段銅導(dǎo)線)處有藍(lán)色物質(zhì)產(chǎn)生,正極銅導(dǎo)線處上的CU失去電子,變?yōu)樗{(lán)色的CU+2.電壓越高電解現(xiàn)象越強(qiáng)烈,與液面接觸處的正極導(dǎo)線腐蝕過快與液面脫離接觸,實(shí)驗(yàn)不能成功.
3、鹽水與導(dǎo)線接觸時(shí)產(chǎn)生了浸潤現(xiàn)象:與鹽水表面接觸的導(dǎo)線上附著較多的液體阻礙彈簧脫離液面.當(dāng)然最好的方法是用鹽水不浸潤的導(dǎo)體來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但不易找到這樣的導(dǎo)體.筆者在用水銀做實(shí)驗(yàn)的成功的基礎(chǔ)上,將與水銀不浸潤的銅導(dǎo)線換成與水銀浸潤的鋅導(dǎo)線,在保證改裝前后電路中電流不變的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),鋅導(dǎo)線與水銀一直接觸而不斷開;在實(shí)驗(yàn)過程還可以明顯觀察到鋅導(dǎo)線在與導(dǎo)電液體剛接觸時(shí),鋅導(dǎo)線會突然向下運(yùn)動一小段距離,把彈簧拉長.
進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明:導(dǎo)電液體為硫酸、氫氧化鈉、硫酸鋁等電解液替代水銀做實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的情況與用食鹽水做實(shí)驗(yàn)時(shí)相差不大.
通過以上對比實(shí)驗(yàn)可知:(1)用水銀做該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒,且現(xiàn)象比理論分析還要多,而用電解液做該實(shí)驗(yàn)不能成功;(2)在該實(shí)驗(yàn)中水銀的作用是導(dǎo)電、防止電解和防浸潤.因?yàn)樗y具有毒性,且用水銀做實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)水銀與彈簧剛好接觸這一條件要求較高:槽中水銀表面用來密封水銀的水與彈簧浸潤接觸影響實(shí)驗(yàn)效果,可用衛(wèi)生紙吸取水銀表面的水;用注射器進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈』螯c(diǎn)滴水銀來控制彈簧與水銀面剛好接觸.
綜上所述,該實(shí)驗(yàn)中的導(dǎo)電液體水銀不能用電解液來替代,但可以用固體金屬斜面來代替水銀面,也能得到 同樣的現(xiàn)象:彈簧上下振動,電路交替通斷,在彈簧接觸處還有明顯的電火花產(chǎn)生,并伴隨著“啪”、“啪”的響聲.用固體金屬斜面來代替水銀面,既容易控制剛好接觸的條件,又沒有電解和浸潤現(xiàn)象發(fā)生,實(shí)驗(yàn)容易操作、安全又成功,如圖2所示.
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