物理演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之管見(jiàn)

祁國(guó)良，曲勝艷，譚曉春，祝云峰

(1.松原市實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)，吉林 松原138003；2.吉林省高中物理譚曉春名師工作室，吉林 長(zhǎng)春130117；3.東北師范大學(xué)附中 凈月實(shí)驗(yàn)學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春130117)

“興趣和愛(ài)好是最大的動(dòng)力”(愛(ài)因斯坦)，興趣與求知欲密切相關(guān).因此，物理演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)要在趣味性和啟發(fā)性上下功夫，引導(dǎo)學(xué)生樂(lè)學(xué)，啟迪學(xué)生智慧[1].努力使演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單化，是演示實(shí)驗(yàn)藝術(shù)追求的目標(biāo).實(shí)驗(yàn)是助推物理發(fā)展的潤(rùn)滑劑，如果丟掉了物理實(shí)驗(yàn)，物理教學(xué)將失去了它應(yīng)有的光彩.筆者在多年的教學(xué)中，對(duì)一些演示實(shí)驗(yàn)做了一些改進(jìn)、增補(bǔ)，供同行參考.

1 自制物理教具，增補(bǔ)演示實(shí)驗(yàn)

1)自制教具既能為直觀教學(xué)提供條件，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，又能開(kāi)拓、更新和填補(bǔ)現(xiàn)行教學(xué)儀器的不足.教材中沒(méi)有，而在習(xí)題的情境中有體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的演示，達(dá)到與學(xué)生認(rèn)知過(guò)程相一致的目的.對(duì)于學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)，重點(diǎn)考察的實(shí)驗(yàn)可以利用自制的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行演示，可達(dá)到“千言萬(wàn)語(yǔ)說(shuō)不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”的效果[2].如：螺旋測(cè)微器和游標(biāo)卡尺模型(圖1)，模擬電路實(shí)物連線等.再如，高考熱點(diǎn)“帶電粒子在磁場(chǎng)中的臨界問(wèn)題”分析，關(guān)鍵在于尋找臨界情景.此情景體現(xiàn)為粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和磁場(chǎng)邊界間的關(guān)系.教學(xué)中可利用“塑料管、易拉罐”制成“動(dòng)態(tài)圓”，如圖2所示，妙用“動(dòng)態(tài)圓”突破帶電粒子在磁場(chǎng)中的臨界問(wèn)題.小器材大作用，真可謂“此處無(wú)聲勝有聲”.

圖1 游標(biāo)卡尺模型

圖2 塑料管、易拉罐制成“動(dòng)態(tài)圓”

2)化繁為簡(jiǎn)，以簡(jiǎn)馭繁.麥克斯韋曾說(shuō)：“一項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)，使用的材料越簡(jiǎn)單，學(xué)生就越熟悉，就越想透徹地獲得所驗(yàn)證的結(jié)果.”所以，演示實(shí)驗(yàn)宜簡(jiǎn)不宜繁，過(guò)于復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置還會(huì)分散學(xué)生的注意力，不易抓住事物的本質(zhì)，也不易鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn).例如，教學(xué)中利用1m長(zhǎng)的空心鋁管、鐵架臺(tái)、強(qiáng)磁鐵和鐵塊自制了渦流作用演示儀，儀器如圖3所示.實(shí)驗(yàn)原理是當(dāng)圓柱形強(qiáng)磁鐵從管上端放入管口，在鋁管中下落時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流會(huì)產(chǎn)生阻礙磁鐵下落的磁通，因此磁鐵下落的時(shí)間變長(zhǎng)了(時(shí)間可達(dá)5s以上).而當(dāng)圓柱形小鐵塊(直徑略小于管道內(nèi)徑)同高度(1m)自由下落時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生磁通，因此鐵塊的下落時(shí)間很短.磁體與導(dǎo)體塊有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦電流，渦流的作用將阻礙它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這就是渦流阻力.如果用在振動(dòng)系統(tǒng)中，就是電磁阻尼演示儀，如圖4所示.課堂實(shí)踐中，演示效果明顯，達(dá)到以簡(jiǎn)馭繁的效果.

圖3 渦流作用演示儀

圖4 電磁阻尼

2 遵循實(shí)驗(yàn)原則，改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是讓學(xué)生直觀、形象地觀察物理現(xiàn)象及體驗(yàn)規(guī)律，形成物理概念，通過(guò)分析演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，深入地理解物理規(guī)律.直觀、簡(jiǎn)單、可見(jiàn)度大的演示實(shí)驗(yàn)，利于物理教與學(xué)，能很好地攻克教學(xué)難點(diǎn).

1)物理選修3－1教材[3]中88頁(yè)“做一做”驗(yàn)證環(huán)形電流的磁場(chǎng)方向.為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果、可見(jiàn)度大，可用透明膠片剪成磁針形狀，并涂上顏色，一方紅色(N極)，一方藍(lán)色(S極)，給迷你小磁針插上美麗的翅膀(圖5).本實(shí)驗(yàn)裝置制作容易，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，可見(jiàn)度大.

圖5 環(huán)形電流的磁場(chǎng)

2)文獻(xiàn)[3]在“楞次定律”一節(jié)的“教材分析與教學(xué)建議”里，建議用趣味“跳環(huán)”實(shí)驗(yàn)作為“楞次定律”新課的導(dǎo)入[3].用趣味“落磁”實(shí)驗(yàn)，作為楞次定律課的結(jié)尾，可謂妙筆生花.實(shí)踐中，還可以設(shè)計(jì)升級(jí)版的“跳環(huán)實(shí)驗(yàn)”：即將J2425型教學(xué)用可拆變壓器中的用硅鋼片做的條形鐵芯豎直放置，把一輕質(zhì)(礦泉水瓶)鋁環(huán)炮彈(圖6)套在其上，接通交流220V電源的瞬間，鋁環(huán)炮彈發(fā)射.進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，做成圖7所示的磁炮式(鋁環(huán)炮彈)跳環(huán)實(shí)驗(yàn)，用于實(shí)際教學(xué)，演示效果極好，令學(xué)生震撼[4]，更能激發(fā)學(xué)生求知欲望，凸顯新課程“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”的教育.

3)物理選修3－3中[3]“內(nèi)能”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)始終遵循“安全可靠、簡(jiǎn)易直觀”原則，在演示壓縮空氣時(shí)內(nèi)能增加的實(shí)驗(yàn)，教材中使用的是硝化棉，具有高度可燃性和爆炸性，其危險(xiǎn)程度高[5].此外，使用的引火儀通常由有機(jī)玻璃制成，管壁厚，熱傳導(dǎo)性能差，有時(shí)會(huì)引起爆管現(xiàn)象.若實(shí)驗(yàn)中用火柴頭代替硝化棉.實(shí)驗(yàn)材料既經(jīng)濟(jì)又安全，且更接近學(xué)生的認(rèn)知水平，實(shí)驗(yàn)原理也通俗易懂.安全火柴中火柴頭的成分主要是由氧化劑(KClO3)、易燃物(如硫等)和粘合劑組成.當(dāng)活塞迅速壓下時(shí)，對(duì)空氣做功會(huì)使筒內(nèi)溫度迅速升高，火柴頭就會(huì)迅速燃燒.實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，可以取1根火柴，用小刀刮下火柴頭，倒入引火儀玻璃筒的底部，先輕輕向下壓幾下，讓玻璃筒內(nèi)的溫度升高一些，起預(yù)熱作用，然后將活塞提到頂部用手迅速壓下，火柴迅速燃燒.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，效果非常好，既能保證實(shí)驗(yàn)的安全，又能增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，一舉兩得.

圖6 鋁環(huán)炮彈

圖7 炮彈發(fā)射裝置

3 聯(lián)系生活實(shí)際巧做演示實(shí)驗(yàn)

在“落磁”演示實(shí)驗(yàn)中，為了提高對(duì)比效果，感受渦流阻礙作用，可將鋁管與非金屬管(塑料管)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比(如圖8所示)，讓學(xué)生對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，比較下落時(shí)間，并試著做出解釋.當(dāng)生動(dòng)的演示現(xiàn)象出乎學(xué)生的意料時(shí)，認(rèn)知的矛盾將上升為思維的動(dòng)力.此外，在“超重和失重”教學(xué)設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[6]中的圖是利用人站在體重計(jì)上下蹲、起立時(shí)看到的超重和失重現(xiàn)象圖片，是1幅靜態(tài)圖片，講課中可將其變?yōu)檎鎸?shí)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，利用“人體秤”體驗(yàn)超重和失重.“由靜變動(dòng)”的改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了思維突破，讓物理走進(jìn)生活，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)造精神[7].

圖8 “落磁”實(shí)驗(yàn)

此外，在研究實(shí)驗(yàn)、自制教具時(shí)，應(yīng)注重就地取材、廢物利用.這不僅能夠節(jié)約資金，降低成本，而且在自制教具過(guò)程中，更能滲透能源意識(shí)、環(huán)保意識(shí)和創(chuàng)新教育，在潛移默化中提升學(xué)生的科學(xué)人文素養(yǎng).正如物理教育家朱正元教授所說(shuō)：“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”.自制教具是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一種有效的補(bǔ)充形式.

4 結(jié)束語(yǔ)

自制教具、改進(jìn)與巧做實(shí)驗(yàn)有助于物理教學(xué)過(guò)程的開(kāi)展，提高課堂效率，更重要的是實(shí)驗(yàn)真正激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，為學(xué)生搭建取之不盡用之不竭的開(kāi)放性學(xué)習(xí)平臺(tái).因此，重視物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，不僅是學(xué)好教好物理的重要環(huán)節(jié)，更是提升學(xué)生綜合素養(yǎng)，為人生奠基的好時(shí)機(jī).物理教師任重而道遠(yuǎn).

[1]牟大全，郝本瑞.牟大全物理教學(xué)藝術(shù)與研究[M].濟(jì)南：山東教育出版社，1999.

[2]沈新家.自制教具在物理教學(xué)中的獨(dú)特地位及作用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2003(7)：45－47.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理(選修3－2)教師教學(xué)用書(shū)[M].北京：人民教育出版社，2013：18.

[4]朱向陽(yáng)，施國(guó)富.磁炮式跳環(huán)實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，26(11)：29.

[5]劉慶云.“對(duì)物體做功，物體內(nèi)能會(huì)增大”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2000，20(5)：34.

[6]張維善.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理(必修)[M].3版.北京：人民教育出版社，2010：89.

[7]劉春宇.物理演示實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)新教學(xué)中的探究[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2007，20(1)：96－97.