借助新技術(shù)提升高中物理實(shí)驗(yàn)演示效果

裘思遠(yuǎn)

（杭州蕭山區(qū)第二高級(jí)中學(xué)，浙江 杭州 311251）

1 利用小型數(shù)碼產(chǎn)品使實(shí)驗(yàn)演示便捷、直觀

技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)碼產(chǎn)品已經(jīng)走入普通家庭，例如數(shù)碼相機(jī)手機(jī).同時(shí)這些數(shù)碼產(chǎn)品的功能也越來(lái)越多，那么在高中物理實(shí)驗(yàn)中能否運(yùn)用這些功能呢？

1.1 數(shù)碼相機(jī)的使用

現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)是家庭的生活必需品了，不但可以拍照還可以攝影，但是一般我們只把它用做拍攝生活照片之用，如果有心還可以用在物理實(shí)驗(yàn)探索上.［1］例如，用數(shù)碼相機(jī)研究平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.

圖1

利用數(shù)碼相機(jī)將小球的平拋運(yùn)動(dòng)過程記錄下來(lái)，將得到的錄像通過電腦和投影儀投影到黑板上，在播放器中按幀播放實(shí)驗(yàn)錄像，在黑板上將小球所在的位置標(biāo)記在黑板上，將各點(diǎn)用平滑的曲線連接，就得到小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡.由于相鄰兩幀照片之間的時(shí)間間隔是相等的，均為1／30 s，只要測(cè)量相鄰小球位置的水平位移，就很容易判斷小球做平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn).同時(shí)測(cè)量相鄰小球位置的豎直位移，也能得到小球在豎直方向的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，如圖1所示.

1.2 手機(jī)的使用

圖2

隨著手機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)的功能越來(lái)越多，從而需要各種各樣的傳感器作為技術(shù)支撐，其中包括重力、聲音和磁傳感器等.手機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是方便攜帶，在物理教師眼中，手機(jī)就是一個(gè)很好的移動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在具體的情景中隨手做實(shí)驗(yàn).

例如，在研究“超重和失重”時(shí).以“huaweIp6”手機(jī)為例，在安卓系統(tǒng)下安裝“TrIcorder”應(yīng)用軟件.手機(jī)小巧靈活，而且安裝有重力傳感器，能夠?qū)κе睾统噩F(xiàn)象進(jìn)行研究.首先打開手機(jī)中“重力”功能，那么就可以觀測(cè)時(shí)間和重力的圖線.將手機(jī)從肩部快速舉起，就會(huì)得到圖2所示的圖線.在起立過程中手機(jī)先向上加速后向上減速，即先超重后失重，結(jié)合圖線觀察圖線顯示重力傳感器數(shù)值先增大后減小.

1.3 攝像頭的使用

在物理演示實(shí)驗(yàn)中有些實(shí)驗(yàn)所能顯示的現(xiàn)象變化比較微小，或者有些實(shí)驗(yàn)只能在特定的視角才能觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.通過攝像頭可以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加清晰地展示在課堂上.

例如，在研究肥皂膜的薄膜干涉實(shí)驗(yàn)（圖3所示），在酒精燈的燈芯上撒上一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光.把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜.把這層液膜當(dāng)成平面鏡，用它來(lái)觀察燈焰的像.在這個(gè)實(shí)驗(yàn)演示的過程中，通過攝像頭來(lái)觀察，將現(xiàn)象投影到大屏幕上可以讓全體學(xué)生觀察到清晰的干涉條紋.通過攝像頭方位的調(diào)整，也可以轉(zhuǎn)換觀察視角，使學(xué)生更容易進(jìn)入情境.

圖3

2 運(yùn)用DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)過程可視化

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)一般都是靠學(xué)生用眼觀察、用筆記錄、用紙計(jì)算、用表作圖，但是很多時(shí)候由于物理過程變化過快、物理現(xiàn)象細(xì)微難辨、數(shù)據(jù)處理繁瑣，這樣在課堂中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示既影響了觀察效果，又耽誤了教學(xué)時(shí)間，還可能造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差.在使用了DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后，教學(xué)效果大大提高，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^圖像、表格等呈現(xiàn)手段將實(shí)驗(yàn)過程“可視化”.

例如，在研究彈簧振子振動(dòng)周期時(shí)，由于振子在振動(dòng)過程中速度比較快，如果學(xué)生僅僅是觀察一下振子的來(lái)回振動(dòng)，意義不大，因?yàn)閷?duì)于振動(dòng)過程中的關(guān)鍵物理量無(wú)法獲悉，如回復(fù)力、位移、速度的變化.如果能利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，就可以將位移發(fā)射器同一根繩子懸掛起來(lái)作為彈簧振子［如圖4（a）］，并在它的兩端連接彈簧，在彈簧的兩端連接力學(xué)傳感器，顯示彈力的變化，這樣就可以實(shí)時(shí)顯示振子在振動(dòng)過程中位移和回復(fù)力隨時(shí)間的變化關(guān)系圖［如圖4（b）］.

圖4

3 應(yīng)用新能源材料使實(shí)驗(yàn)演示與時(shí)俱進(jìn)

圖5

新能源，特別是綠色能源能夠符合環(huán)保理念，越來(lái)越受到人們的重視，如太陽(yáng)能、熱能、風(fēng)能等，伴隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種新興材料也逐步出現(xiàn)在大眾的視野中［2］.利用這些材料可結(jié)合高中物理教學(xué)的需要就可以開發(fā)一些實(shí)驗(yàn).

選修3－3和選修2－2教材都提到了“半導(dǎo)體制冷技術(shù)”的材料.這種半導(dǎo)體制冷材料可以在電子市場(chǎng)中購(gòu)買得到，將半導(dǎo)體制冷片與兩塊鋁板制作一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置（如圖5）.例如，在演示溫差熱機(jī)時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)裝置的兩塊鋁板分別放入一杯熱水和冷水中，當(dāng)半導(dǎo)體制冷片兩端存在一定的溫差（一般40～80℃）時(shí)，半導(dǎo)體制冷片兩端會(huì)產(chǎn)生一定的電流，裝置中的風(fēng)扇就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).

這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明熱力學(xué)第二定律的第2種表述“不可能從單一熱源吸收熱量并把它用來(lái)全部做功，而不引起其他變化”.我們把這樣的實(shí)驗(yàn)裝置稱為熱機(jī)，把兩塊鋁板腳分別插入兩杯水，一杯熱水一杯冷水，片刻后，看到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).說(shuō)明內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能，隨著時(shí)間的推移，電扇的轉(zhuǎn)速逐漸變慢，最后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)再用手試水溫，發(fā)現(xiàn)這時(shí)冷水變熱了，熱水變冷了，兩者的溫差消失.通過以上實(shí)驗(yàn)可說(shuō)明只有單一熱源的熱機(jī)是不可能存在的.

4 使用電路仿真軟件模擬實(shí)驗(yàn)探究過程

對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用Flash對(duì)實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的動(dòng)畫模擬使物理過程能夠清晰的展示在學(xué)生面前，但是動(dòng)畫模擬只是對(duì)物理過程的展示，缺少了對(duì)實(shí)驗(yàn)探究，在電子電路軟件中有很多虛擬仿真的軟件能夠模擬物理實(shí)驗(yàn)的探究過程，這里以MultIsIm9為例進(jìn)行介紹.

MultIsIm9電路仿真實(shí)驗(yàn)是一種在高中物理新課程教學(xué)中非常有效的實(shí)驗(yàn)方法，不但操作步驟簡(jiǎn)易而且效果也很好.例如，如圖6（a）所示，這是在MultIsIm9中建立電路以研究自感現(xiàn)象.XSC1是示波器，它顯示小燈泡X2兩端電壓的變化，而R2則是電源的內(nèi)阻.開關(guān)初始時(shí)是斷開的，當(dāng)閉合和斷開開關(guān)時(shí)，示波器中就會(huì)顯示X2兩端的電壓變化，如圖6（b）所示.隨著開關(guān)閉合，X2先變亮后變暗，最后穩(wěn)定在一定的亮度.而隨著開關(guān)斷開，X2突然變亮后又熄滅，而且可以觀察到另一種現(xiàn)象，即開關(guān)斷開電壓反向，這說(shuō)明開關(guān)斷開，電流流過X2的方向與原來(lái)相反.

圖6

實(shí)驗(yàn)是物理新課程改革的重要環(huán)節(jié)，是落實(shí)物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，也是新課程改革的重要資源.作為一名新時(shí)代的物理教師，應(yīng)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求安排足夠的學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)，最大限度地利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的器材，充分地開發(fā)和利用實(shí)驗(yàn)室的豐富課程資源，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)做課外實(shí)驗(yàn).

1 楊杰.數(shù)碼相機(jī)在物理教學(xué)中的運(yùn)用［J］.物理教師，2006（8）.

2 趙力紅.新課程新實(shí)驗(yàn)新認(rèn)識(shí)——新課程高中物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與教學(xué)研究［J］.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2008（12）.