創(chuàng)新中學(xué)物理演示實驗的幾點探索

馬建玲

(泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安 271021)

演示實驗一般是配合教學(xué)進(jìn)行的，基本要求之一是確保成功.但在許多情況下，演示實驗不是費時太多，就是效果不明顯，或?qū)嶒炚`差太大，以致難以成功，造成整節(jié)課的失敗.決定一個演示實驗成功有效與否的因素是多方面的，但從實驗裝置結(jié)構(gòu)方面去分析，造成演示效果不好的可能有:一是為實驗提供能源或動力作用的部分可能欠佳或運用不當(dāng)，如熱源放熱不均勻，電源內(nèi)阻過大，平行光源不平行，亮度太弱等;二是實驗中觀察研究的對象不能顯示，如光路顯示模糊不清，以致學(xué)生觀察不到應(yīng)有的物理現(xiàn)象;三是實驗現(xiàn)象顯示器失靈或變化幅度太小;四是連接上述三部分用以調(diào)控實驗條件的器材不靈敏，實驗條件不滿足.下面從上述四個方面來舉例說明我們改進(jìn)演示實驗，提高其有效性的一些做法.

1 對實驗動力源進(jìn)行改進(jìn)

實驗動力源是為實驗提供能源或動力作用的部分，如電源、熱源、光源、引力或人的手等.如:人教版初中《物理》八年級下冊中，這樣做“電流的磁效應(yīng)”實驗［1］:在磁針的上面有一條直導(dǎo)線，當(dāng)直導(dǎo)線觸接電池通電時，你能看到什么現(xiàn)象?改變電流的方向，又能看到什么現(xiàn)象?在這個實驗中電池為實驗動力源，磁針為實驗的對象又為實驗的顯示器，直導(dǎo)線觸接電池，從而產(chǎn)生大電流為實驗條件，但電源短接不但會引起學(xué)生的疑惑，而且不宜多次重復(fù)，對此可作如下改進(jìn):用多個電容并聯(lián)組成一個10000uF16V的電解電容，制作一個如圖1所示的大容量電容器放電裝置，代替干電池，利用電容器放電的瞬時大電流用為實驗動力源.這樣改進(jìn)后有以下優(yōu)點:(1)操作方便簡單，可多次充電反復(fù)實驗，并且這個裝置還可用于電流間相互作用等實驗;(2)學(xué)生容易接受.再如做系列光學(xué)實驗時，如用普通光源，往往導(dǎo)致光亮度不高，現(xiàn)象不明顯，或者實驗手續(xù)復(fù)雜.如果換用價格便宜的激光筆，則效果很顯著.如觀察水的折射，將激光筆眼沿空玻璃杯的杯口一側(cè)射向杯底的另一側(cè)，記住射在杯底的位置，然后倒水，隨著水位變高，射入杯底的位置不斷變化，空氣和水的分界面上清晰可見光線的偏折;觀察三棱鏡和玻璃磚對光的折射.三棱鏡的全反射、折射光路，是教學(xué)中的難點，而換用激光筆就很方便的顯示了光路.

2 對實驗對象進(jìn)行改進(jìn)

實驗的對象，指實驗中觀察研究的對象，如小車、鋼球、液體、氣體、通電線圈、磁感線等.演示實驗無論是設(shè)計新實驗，還是改進(jìn)舊實驗，都應(yīng)該使實驗對象表現(xiàn)出明顯的物理現(xiàn)象，且能更有效地向?qū)W生提供感性材料，使之更有益于教學(xué)中學(xué)生對物理知識的掌握和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的發(fā)展.而九年級物理人教版第129頁演示2:大口玻璃瓶內(nèi)有一些水，水的上方有水蒸氣.給瓶內(nèi)打氣，當(dāng)瓶塞跳擊時，觀察瓶內(nèi)的變化.按課本實驗設(shè)計，本實驗瓶內(nèi)的水蒸氣為實驗對象，當(dāng)瓶塞跳擊時，瓶內(nèi)應(yīng)出現(xiàn)白霧，然而實驗現(xiàn)象并非如此，它的致命弱點是瓶塞跳起時，瓶內(nèi)出現(xiàn)的白霧不明顯，有時學(xué)生根本看不見.出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是由于瓶塞和瓶口的摩擦不大，瓶內(nèi)氣壓不會太大;瓶內(nèi)水的蒸發(fā)量不夠，水蒸氣不多，又難以液化;再加上周圍氣溫較高，所以，出現(xiàn)的白霧很少，實驗現(xiàn)象很不明顯.針對實驗弱點，我們改進(jìn)的措施是:在瓶內(nèi)注入幾滴酒精，再就是選用一個膠塞做瓶塞，以增加摩擦力，用氣筒向瓶內(nèi)打氣，打到一定程度，瓶塞跳出，由于酒精蒸氣容易液化，在瓶內(nèi)和瓶口處出現(xiàn)大量“白霧”，現(xiàn)象非常明顯，學(xué)生非常驚訝，可以收到意想不到的效果.

圖1 電容器充放電裝置

圖2 三維磁感線形狀演示

再如，演示磁鐵與電流的磁感線，一般都是局限在平面內(nèi)，使學(xué)生對磁感線的形狀缺乏整體的印象.美國《物理教師》雜志上曾介紹一種演示三維空間磁感線的形狀的方法［2］，材料是小圓柱形磁鐵、試管、軟木塞、玻璃瓶、鐵粉，按如圖裝配好，晃動瓶子，就能在試管周圍形成三維空間的磁感線形狀，如圖2示.這一演示有利于學(xué)生正確認(rèn)識和掌握磁場的有關(guān)概念和規(guī)律.

3 對實驗現(xiàn)象顯示器進(jìn)行改進(jìn)

實驗現(xiàn)象顯示器，是指顯示實驗現(xiàn)象的裝置，如各種測量儀表、刻度、投影、聲光元件等.這些裝置的選擇會直接影響實驗的成敗，同一個實驗、同一種方法選用不同的器材，實驗效果將有很大不同.如通常用演示實驗來解釋和說明電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所用儀器為電流表、線圈、導(dǎo)線和磁棒，實驗裝置如圖3所示.我們知道當(dāng)磁場變化時會引起線圈中產(chǎn)生電流，或者線圈相對磁體運動時會產(chǎn)生電流.這兩種方式都能使穿過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化，電流表作為顯示器用于指示線圈中會有電流產(chǎn)生，從而發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象.在滿足發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的條件下，我們可以將其實驗裝置進(jìn)行改進(jìn)，使演示效果更直觀形象，同時實驗裝置更簡單方便.可以用發(fā)光二極管來代替電流表，把兩個發(fā)光顏色不同的發(fā)光二極管反向并聯(lián)后接到線路中，與線圈構(gòu)成閉合通路，當(dāng)插入線圈中的磁棒向上或向下運動時，總會有一個發(fā)光二極管亮、一個發(fā)光二極管不亮的現(xiàn)象產(chǎn)生，這就表明在通路中有電流通過，此電流就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生的感應(yīng)電流.

內(nèi)能做功的實驗:教材中實驗是用軟木塞將裝水試管口密封，用酒精燈對水加熱至沸騰.當(dāng)管內(nèi)水蒸氣壓強足夠時，“砰”的一聲水蒸氣將軟木塞沖出，說明利用內(nèi)能可以對軟木塞做功.此實驗有兩點不足:一是軟木塞沖出時，也有高溫水蒸氣噴出.實驗時，盡管管口不朝向?qū)W生，由于水蒸氣飛濺，對前排學(xué)生可能造成事故或驚嚇.二是內(nèi)能做功只表現(xiàn)在軟木塞沖出的一瞬間，時間短，不便于學(xué)生邊觀察，邊思考和教師邊演示，邊講解.改進(jìn)后的實驗裝置如圖4所示.改進(jìn)方法:在軟木塞中插入一根細(xì)玻璃管，用橡皮管套上與針筒連著，用酒精燈燒水至開，產(chǎn)生蒸氣推動活塞上升做功，學(xué)生看得清楚，更覺有趣而驚喜，從而說明利用內(nèi)能可以推動活塞上升做功.這種改進(jìn)后實驗的優(yōu)點是:用醫(yī)用注射器代替了軟木塞，既安全又有趣，演示實驗時間較長，效果較好.但實驗時，宜先將針筒浸入熱水中預(yù)熱，且注意選用針筒較長的大號注射器，以防止活塞從針筒中脫出而損壞.

圖4 內(nèi)能做功實驗的改進(jìn)

圖3 電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示裝置

微小形變實驗:這個實驗的關(guān)鍵是如何讓這個微小的形變顯示到足以使學(xué)生能明示的程度.解決的辦法顯然只能設(shè)法放大，放大的方法有很多如用力學(xué)的方法、電學(xué)的方法、電子學(xué)的方法、光學(xué)的方法等［3］，但是最簡單的方法還是利用杠桿原理，進(jìn)行杠桿放大的方法.根據(jù)這一思想，設(shè)計如圖5所示的實驗裝置.用激光槍做微小形變的實驗，用夾子夾住激光槍，桌上置兩平面鏡，調(diào)整角度使光線經(jīng)兩次反射后照于天花板.當(dāng)用力壓桌面時，桌子發(fā)生微小形變，由于平面鏡的光杠桿作用，對形變進(jìn)行了兩次放大，而天花板對光線而言則是一個斜面，所以又進(jìn)行了一次放大，演示效果相當(dāng)顯著.

4 對用以調(diào)控實驗條件的器材進(jìn)行改進(jìn)

調(diào)控輔助裝置是聯(lián)接上述三部分用以調(diào)控實驗條件的器材.人教版初中物理九年級關(guān)于“摩擦力”的教學(xué)，本節(jié)課要探究摩擦力大小與什么因素有關(guān)，用彈簧測力計勻速拉動木塊，使它沿長木板滑動，由二力平衡條件可知，彈簧測力計的讀數(shù)即為摩擦力大小.這個實驗中手為實驗動力源又起著調(diào)控裝置的作用，以滿足勻速拉動木塊這個實驗條件.但由于木塊和木板之間凹凸程度不同，接觸面之間阻礙作用時大時小，木塊難以實現(xiàn)勻速滑動，測力計的讀數(shù)會忽大忽小，讀數(shù)困難或不準(zhǔn)確.改進(jìn)方法:教學(xué)中將木塊用棉布包好，增加了棉布和木板間的柔韌性，木塊可以在長木板上做比較準(zhǔn)確的勻速直線運動，且可以不用長木板，學(xué)生利用課桌表面進(jìn)行探究性研究，木塊運動平穩(wěn)，讀數(shù)準(zhǔn)確，實驗效果很好.

阿基米德原理演示實驗，用以探究浮力的大小等于什么.這個實驗成功的關(guān)鍵是杯中溢出的水必須完全從杯口豎直流入小桶中，從而準(zhǔn)確地測出物體排開液體的重力，才能得到F浮=G排的實驗結(jié)論.然而由于溢水杯在剛開始溢水和快結(jié)束時，因水流很小，水總是從杯口沿杯壁溢出桶外，沿著杯壁流到了桌子上，不能滿足實驗條件，所以測出的G排總是小于實際的G排，從而導(dǎo)致每次實驗誤差太大，很難準(zhǔn)確地得出實驗結(jié)論.為解決此問題，可以用一細(xì)線拴住一重物，重物放入溢水杯(因細(xì)線太輕，不用重物細(xì)線會與水一起流走)，細(xì)線伸出杯口，實驗時，把細(xì)線放入桶內(nèi)如圖6示.改進(jìn)的實驗有兩個優(yōu)點:第一，無論水流多小，水總是沿細(xì)線流入桶內(nèi);第二，利用這種溢水方法，能使物體排開的液體完全溢出，而不會因其他原因，導(dǎo)致每次實驗溢水情況不一樣，引起過大的實驗誤差，利用此方法測量G排，實驗誤差大大減小，實驗結(jié)論更準(zhǔn)確、更可靠，教學(xué)效果極佳.

圖5 微小形變實驗改進(jìn)

圖6 用溢水杯探究浮力大小實驗

總之，演示實驗是創(chuàng)新物理教學(xué)的有效載體，怎樣確保演示實驗成功有效，讓學(xué)生在演示實驗中學(xué)到知識，感受到物理的魅力，這是設(shè)計、改進(jìn)演示實驗一個永恒的主題.

［1］課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理(初中)［M］.北京:人民教育出版社，2006.

［2］朱鐵成.物理教育研究［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

［3］陶洪.物理實驗論［M］.南寧:廣西教育出版社，1999.