物理实验之一种简易防震房模型的制作
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摘 要：地震是一种巨大的自然灾害，可能导致山崩地裂、房屋损毁和大量人员伤亡。如何在地震中保存自己免受伤害成了很多人关心的问题。本文旨在指导高中学生利用现阶段所学物理知识设计一种简易防震房，解决农村房屋在发生地震时保护自身问题，启发学生运用物理知识解决实际问题的能力。同时，针对农村高中物理实验教学实际，低成本、实用性原则是进行防震房设计时的首要因素。
关键词：防震房;防震床;地震传感式开关
一、 简易防震房的设计思路
（一） 地震的基本知识
地震（英文名称：earthquake）又被称为地动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，产生地震波的一种自然现象。相关统计表明，地球上每年约发生500多万次地震，平均每天要发生上万次的地震。其中绝大多数震级很低，人们基本上感觉不到;能对人类造成严重危害的地震大约有十几二十次;能造成特别严重灾害的地震仅一两次。
目前我们还不能精确的预测地震的到来，并且这种情况可能在未来相当长的一段时间内还将持续下去。因此，我们更应该做的是做好防御，而不是预测地震。
在地球内部传播的地震波，分为纵波和横波。纵波会导致地面上下颠簸振动，而横波则会引起地面的水平晃动。由于纵波的传播速度大于横波，在地震发生时，一般人们先感到上下颠簸，过数秒到十几秒后才会感到水平晃动。横波是造成破坏的主要原因。
（二） 地震时造成人员伤亡的主要原因
据统计，地震直接造成人员伤亡并不大，但因地震而倒塌的建筑物会造成大量的人员伤亡。地震致灾的另一个原因在于其瞬时突发性。地震的发生具有突然性，整个过程仅持续数十秒，人们往往来不及采取逃生措施。例如发生在凌晨三点的唐山大地震造成242769人死亡，而里氏震级更高的汶川大地震，仅造成69227人死亡，比唐山大地震少得多。最主要的原因就在于汶川大地震发生在下午14时28分即人们上班期间，人们能够有更充足的反应时间。
（三） 防震房的设计思路
由于农村地区大部分为平房，如果地震发生在人们清醒时，那么在纵波发生人们感知到地震到横波产生破坏的十几秒时间内，人们完全能够从房屋内跑到空旷地区，从而最大限度地避免了人员伤亡。这样，我们要解决的问题就转变为当地震发生在人们休息时无法采取自救措施时如何保护自身。
根据上述的原因分析，防震首先需要解决建筑物倒塌对人员的伤害问题。这里我们设计采用一种防震床，防震床由主体、盖板和控制系统组成。主体和盖板均采用足够坚硬的钢材，能够承受建筑倒塌时的冲击力。盖板升起时能够保证人们正常休息时的舒适性，盖板落下时能够与主体构成一个相对封闭的空间，保证人们的人身安全。控制系统能够在接收到地震信号后控制盖板落下。此外，在床箱内预先放置好氧气瓶、食物和水、充电宝、手机和手電、药品和急救箱等物资，确保人们即使在倒塌的房屋内被困，也能坚持到救援人员的到来。
其次，为了解决由于地震瞬发突然性导致人员无法采取自救措施的问题，我们设计采用一个电动机，在地震发生时将防震床从房间内拖到房屋外。
最后，为了解决地震无法预测的问题，我们利用纵波和横波传播速度不一致、且纵波破坏力远小于横波的特性，设置了地震传感式开关。能够在纵波发生时产生地震信号，接通电路，控制防震床盖板落下和将防震床拉出。
解决这三个问题后，当地震中破坏力强的横波到达时人员和防震床均处于安全地带。即使由于震源深度贴近地表，纵波与横波之间的间隔较短时防震床没能拉出房屋，由于防震床的特性，也能保证人员安全并坚持到救援人员到达。
二、 简易防震房的制作方法
制作简易防震房重在演示原理，启发思路，且农村中学实验器材短缺现象比较普遍。因此，在选取实验器材时，应选取日常生活中低成本易获取的材料，保证人人做的起实验。
（一） 实验原材料
KT板2张、鞋盒1个、吸管4根、7号电池4节、3V微型电机1个、3V微型推拉式电磁铁4个、直径1cm钢珠1颗、塑料皮带轮1个、导线若干、电池片若干（KT板和鞋盒均可用任意硬纸壳代替，7号电池可用实验室学生电源代替）。
（二） 所需工具
热熔胶枪1把，胶棒若干、小刀1把、剪刀1把（热熔胶枪和胶棒也可用胶水代替）。
（三） 制作方法
1. 制作防震床
从鞋盒中取长方形纸片，用热熔胶粘成长方体床箱，在箱体的四角设置长方体立柱作为床盖的支撑。在床的底部设置为四个暗格，分别用于存放氧气瓶、食物和水、充电宝、手机和手电、药品和急救箱等物资。并在床板上开一个小门，便于存取物品。
床的盖板为长方形，角上设置4个吸管作为盖板的支撑并插入到床箱内的支柱内。在床的两侧护栏上靠近支柱的位置安装4个3V微型推拉式电磁铁，使电磁铁伸出时能够进入支柱上开的小孔内，电磁铁缩回时能够完全从小孔内缩回。
四个微型电磁铁的电线采取并联方式连接，并从防震床侧面护栏上穿出，一端与开关连接，一端与电池组负极相连。
电路断开的情况下，4个电磁铁伸出铁棒穿过支柱和吸管上的孔将盖板固定在打起的位置，不影响日常使用;当地震发生时，电路接通，电磁铁铁棒缩回，吸管和盖板失去支撑力，在重力的作用下自然下落，盖板与床主体的护栏配合形成一个封闭空间，保护人们免受建筑倒塌的威胁。
图1 防震床
2. 制作电池组和电机
利用KT板和热熔胶制作一个长方体盒子，在两侧利用购买的7号电池和电池片构建一个4节7号电池串联的电池组。在电池片上有预制的小孔便于连接导线。
用热熔胶和KT板将3V微型电机固定在电池组上方，电机的输出轴上套上皮带轮，皮带轮上缠绕着细线与防震床相连。电机正极与电池组正极相接，负极与地震传感式开关相连。这样，当电路接通的时候，电机工作带动皮带轮旋转将防震床从房屋内拉出。 图2 电池组
3. 设置地震传感式开关
在实际应用中，应使用地震仪感受地震信号，且地震仪应配置于床体内部，但考虑到高中学生的知识面和便于观察，对实际问题进行了简化。利用地震时产生晃动导致钢珠从平台上落下接通电路作为传递地震信号的方法，并将其作为一个单独的模块设置于床体一侧。
地震传感式开关由钢珠、轨道及电池片组成。轨道由硬纸壳粘制而成，呈斜坡状。轨道顶部设置一个平台，用于放置钢珠，轨道斜坡便于钢珠滚动。轨道底部两侧用热熔胶固定有两个电池片，前部用纸片设置一个挡板，保证当钢珠落到底部后正好位于两个电池片中间并接通电路。电池片一端与微型电机负极相连，一端与电磁铁正极相连。
实验时，晃动房屋或者拨动钢珠使其沿轨道下落到斜坡底部，钢珠使两个电池片之间的电路导通。此时，电磁铁通电状态下使铁棒收缩退出塑料吸管上的孔，盖板在重力作用下自然下落与防震床主体形成封闭空间。同时，电动机工作带动皮带轮旋转，通过细线将防震床从房屋内拖出。至此，地震中人们的生命安全问题得到了圆满的解决。
三、 关于防震房的拓展与思考
防震房的制作过程也是学生分析解决问题的过程，作为教师，不仅要引导学生学会简化问题，将复杂的地震防范过程简化为三个具体的问题，也要引导学生在得到问题的解决方案后，还能够认识到实验设计与实际问题中的差距，以便使学生在解决实际问题时能够形成正确的思维方式。
比如，在这个实验中，我们采取钢珠导通电路的方式传递地震信号是不可靠的，如果纵波来临时钢珠垂直起落或者往导轨另一侧倾斜都有可能导致钢珠不进入轨道，在实际问题中这可能是致命的。因此，必须使用地震仪作为地震信号的来源。第二，如果防震床使用钢材，本身的质量将变得相当沉重，使用细线、微型电机是不现实的。因此，在实际应用中会使用交流电源，大功率电机，并且防震床必须加装轮子以减轻摩擦力甚至需要设置导轨。第三，防震床到达室外时无法停止，相应的可以设置一个继电器电路使床到达指定位置时能够自动停止。
物理是一门实验学科，学生也绝不是为了学习而学习，能够引导学生通过物理学知识解决实际问题，感受物理的魅力对于培养学生的学习兴趣至关重要。10月28日01时56分，甘肃甘南地区发生里氏5.7级地震，会宁县出现明显震感，学生对此非常关注和忧虑。因此，我引导学生利用高中物理知识来分析和解决这一实际问题，所有学生立即表现出了强烈的学习兴趣。由此可见，在农村高中开展物理实验教学，实用性是实验设计中相当重要的一環。
参考文献：
[1]马玉宏，赵桂峰.地震灾害风险分析及管理[M].北京：科学出版社，2008.
[2]韩忠国.高中物理实验的创新设计研究[J].新校园，2017（5）.
[3]钟平珍.“创造技法”在高中物理实验教学中的应用[J].新课程，2019（3）.
作者简介：
杨志娟，甘肃省白银市，甘肃省白银市会宁县第一中学。
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