例談高中物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

■蘇秀民

例談高中物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

■蘇秀民

10.3969/j.issn.1671-489X.2012.32.106

高中物理很多知識是通過實(shí)驗(yàn)得出的，因此，利用好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)好物理的法寶。教材上很多實(shí)驗(yàn)是很難完成的，經(jīng)過教師的精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，能收到很好的演示效果。

新課標(biāo)背景下的物理課堂要體現(xiàn)學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)，其奧秘在于“師生角色的轉(zhuǎn)換”，變學(xué)生的被動學(xué)為學(xué)生課堂上的主動參與。讓學(xué)生親身去經(jīng)歷知識的形成過程，在歡快的課堂氛圍中學(xué)會學(xué)習(xí)，學(xué)以致用。物理本身是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理的很多定理或定律來源于實(shí)驗(yàn)，一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)物理情景。

物理的很多定理或定律來源于實(shí)驗(yàn)，一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)物理情景。

在平時(shí)的物理教學(xué)中，教師可以把知識還原成生活之中的小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在生活中體會物理知識。在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，要讓學(xué)生自己探索知識的形成過程，利用貼近生活的實(shí)驗(yàn)來激活學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的過程中，如何讓學(xué)生親身參與？根據(jù)幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)上進(jìn)行了大膽的嘗試，收到很好的效果。不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，而且能幫助教師突破一些教學(xué)中的重、難點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生對知識的真正掌握，并且靈活應(yīng)用。

1 超重與失重

在講“超重與失重”一節(jié)時(shí)，對于完全失重的處理，筆者對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，全新設(shè)計(jì)一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，主要器材有一個(gè)空礦泉水瓶（底端帶洞）、一桶水。

1）把礦泉水瓶中裝滿水，然后讓水瓶正立在空中，觀察水流動情況。仍然把礦泉水瓶裝滿水，下面放上水桶，讓水瓶正立在空中自由下落。在做實(shí)驗(yàn)之前先讓學(xué)生猜測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生發(fā)揮想象力，答案五花八門。在學(xué)生猜測之后，由學(xué)生代表站在板凳上親自演示實(shí)驗(yàn)。

2）通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生提出問題與討論：當(dāng)瓶中裝滿水，瓶靜立在空中時(shí)，為什么水會流出？當(dāng)瓶中裝滿水在空中自由下落時(shí)，瓶和水處于什么運(yùn)動狀態(tài)？這種狀態(tài)下物體的加速度是多大？根據(jù)物體的運(yùn)動，請分析瓶的受力情況？水和瓶之間還有擠壓嗎？

學(xué)生通過討論進(jìn)行小結(jié)：當(dāng)物體向下的加速度為g時(shí)，且物體與接觸面的壓力為零時(shí)，這種現(xiàn)象屬于完全失重。

教師隨后質(zhì)疑：怎樣驗(yàn)證你們的結(jié)論呢？

3）學(xué)生討論并展示成果：學(xué)生利用上述實(shí)驗(yàn)器材分別把水瓶上拋和平拋。

本知識環(huán)節(jié)的講授采用改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，把一個(gè)抽象的物理概念用一個(gè)簡單的物理小實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，最終學(xué)生得出科學(xué)的結(jié)論。這種教學(xué)方式首先讓學(xué)生產(chǎn)生興趣，造成懸念，積極探索，使學(xué)生始終處于一種興奮狀態(tài)；進(jìn)而研究“完全失重”的形成過程。這樣教學(xué)，學(xué)生完成對于完全失重的概念的理解達(dá)到記憶并強(qiáng)化的過程。

2 電磁式等勢線描繪器描繪等勢線

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

直接描繪靜電場的等勢線比較困難，利用恒定電流的電場模擬靜電場，通過電磁手段用描跡法畫出電場中平面上的等勢線。

2.2 創(chuàng)新點(diǎn)

1）引入可控電磁探針和畫板,受幼兒畫板的啟發(fā)，用畫寫板取代白紙復(fù)寫紙來呈現(xiàn)等勢點(diǎn)，可控電磁探針用來尋找等勢點(diǎn)?？煽仉姶盘结樦饕蓛刹糠謽?gòu)成：連接紅色粗線的鐵芯也就是探針和連接紅藍(lán)細(xì)線帶觸點(diǎn)開關(guān)的線圈。線圈接直流電源，鐵芯連線接靈敏電流計(jì)，找到等勢點(diǎn)后接通觸點(diǎn)開關(guān)，電磁探針產(chǎn)生磁場，在畫寫板上留下一點(diǎn)，即對應(yīng)模擬靜電場中的等勢點(diǎn)；接下來斷開電磁探針電源，繼續(xù)尋找下一等勢點(diǎn)，重復(fù)前面的操作。

2）引入彈壓式接線柱，提高器材安全度和降低實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備難度。原裝置是柱狀接線柱，每做完一次需拆卸一次，配件很小易失，器材易損。實(shí)驗(yàn)所需三種紙都需打孔套到接線柱上，打孔時(shí)孔間距和孔的大小都需認(rèn)真處理，否則影響實(shí)驗(yàn)效果，造成實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作難度大。彈壓式接線柱是在豎直鏍桿上套一彈簧，實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)螺帽就可以改變接觸點(diǎn)位置和接觸緊密程度，實(shí)驗(yàn)完畢旋松螺帽彈簧將接觸片輕松彈起，就能取下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣省去了拆卸環(huán)節(jié)，避免了零配件的丟失，保障器材安全，并且實(shí)驗(yàn)用紙或其他材料也不必再打孔處理，降低了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備難度。

3）打破原實(shí)驗(yàn)材料限制，能利用日常生活中常見材料完成實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣。原有實(shí)驗(yàn)必須用碳粉導(dǎo)電紙，這對學(xué)生來說很是陌生的一種材料，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)易產(chǎn)生的畏懼心理，不利于激發(fā)學(xué)生的探究興趣。而且這種紙不易買到，價(jià)格也相對較貴。改用畫寫板后，利用畫寫板耐濕的特點(diǎn)，可用浸過蘇打液的潮濕狀態(tài)的棉布或厚牛皮紙等替代導(dǎo)電紙，學(xué)生用平時(shí)看得見、摸得著的材料自制導(dǎo)電紙，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

4）低成本無污染。原有實(shí)驗(yàn)每做一次要耗費(fèi)白紙一張，導(dǎo)電紙最多用兩三次就不能再用，復(fù)寫紙比導(dǎo)電紙稍耐用一些，但也需要頻繁更換，如做學(xué)生實(shí)驗(yàn)耗材量很大，累積起來實(shí)驗(yàn)成本較高，產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)廢物多而且大多只能被焚燒處理，產(chǎn)生有害氣體污染大氣。利用畫寫板和電磁探針作圖，可反復(fù)使用，投入低，不會產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)垃圾，符合低碳環(huán)保的理念。

5）可描繪多種情況等勢線分布。原器材因接線柱限制，只能描繪等量異種點(diǎn)電荷等勢線分布，而改進(jìn)后的器材可描繪帶電平行板間的電場，或非勻強(qiáng)場等。

利用畫寫板和電磁探針作圖，可反復(fù)使用，投入低，不會產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)垃圾，符合低碳環(huán)保的理念。

2.3 使用方法：以描繪正負(fù)點(diǎn)電荷靜電場等勢線分布為例

1）將畫寫板和浸過蘇打液的導(dǎo)電布鋪好連接電路，電壓直流10～14 V，閉合開關(guān)產(chǎn)生模擬靜電場。普通探針和電磁探針上粗導(dǎo)線連接靈敏電流計(jì)，電磁探針尾端紅藍(lán)導(dǎo)線接學(xué)生電源，本探針經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)直流6 V效果最佳。在導(dǎo)電紙上取5個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，用電磁探針依次描出基準(zhǔn)點(diǎn)位置，普通探針對準(zhǔn)第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，電磁探針在導(dǎo)電紙上輕輕移動，在基準(zhǔn)點(diǎn)附近尋找等勢點(diǎn)，找到后將電磁探針開關(guān)閉合產(chǎn)生磁場，在畫寫板上留下點(diǎn)跡。按此方法依次尋找等勢點(diǎn)，從而完成實(shí)驗(yàn)。

2）將彈壓式接線柱旋松，釋放彈片，取下畫寫板，將等勢點(diǎn)用畫寫筆用平滑曲線連接，正負(fù)點(diǎn)電荷靜電場等勢線分布就完成了。

3）觀察完畢后，用畫寫板上的磁條掃過畫寫板清除實(shí)驗(yàn)痕跡，整理器材，實(shí)驗(yàn)完畢。

2.4 實(shí)驗(yàn)器的優(yōu)點(diǎn)

1）電磁式等勢線描繪器材料易尋、成本低廉、制作簡單、易于操作，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，不會產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)廢物。

2）沖破原實(shí)驗(yàn)的局限性，可描繪多種電場，既可用于教師示教，也可讓學(xué)生自制上探究性實(shí)驗(yàn)課，激發(fā)學(xué)生制作和研究興趣。

3 驗(yàn)證動量守恒實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

驗(yàn)證動量守恒定律實(shí)驗(yàn)是高中物理課程的重要實(shí)驗(yàn)，按照教科書物理第二冊的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把斜槽固定在桌子邊緣，在地面鋪上白紙復(fù)寫紙，小球從斜槽上端滾下落到復(fù)寫紙上，在白紙上留下落點(diǎn)痕跡，然后對落點(diǎn)及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，驗(yàn)證碰撞前后動量是否守恒。用此裝置在實(shí)際操作時(shí)，有一些缺點(diǎn)：斜槽裝置不穩(wěn)易滑動，不能確保入射小球從同一高度滾下及碰撞前后兩小球做平拋運(yùn)動；小球從斜槽滾下落到地面上滿地跑，有時(shí)落到桌斗里，學(xué)生到處找球，浪費(fèi)時(shí)間；白紙直接放在地面上容易錯(cuò)位；小球落點(diǎn)分散，用圓規(guī)找落點(diǎn)誤差大，精度低；整個(gè)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長。

為此，對原裝置加以改進(jìn)。

1）實(shí)驗(yàn)時(shí)用凹槽接小球。避免做實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生到處找球，節(jié)省大量時(shí)間。

2）斜槽安裝支架，保證斜槽的穩(wěn)定性，一次調(diào)整，多次使用。斜槽上端附電磁鐵，保證入射小球從同一高度無初速度釋放。末端鑲嵌水平儀，保證碰撞前后小球做平拋運(yùn)動。

3）用帶中孔的透明同心圓片找圓心比圓規(guī)方便快捷，且提高了精度。

4）不用刻度尺測長度，而用B4紙，在上面畫出的刻度直接讀出水平拋出距離并形成報(bào)告單，使實(shí)驗(yàn)測量與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一體化。

通過上面的實(shí)例表明：經(jīng)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置使用時(shí)快捷、方便、直觀，誤差小、精度高，提高實(shí)驗(yàn)的可操作性，大大優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)效率。

河北省遷安市第二中學(xué)）