制作簡(jiǎn)易小實(shí)驗(yàn)，突破物理習(xí)題關(guān)

王成金

摘 要： 物理學(xué)是一門從科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)展起來(lái)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中有至關(guān)重要的作用。教師在設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易物理教具時(shí)，制作突破課時(shí)重點(diǎn)和解釋規(guī)律內(nèi)涵的實(shí)驗(yàn)教具較多，為了破解習(xí)題的難點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)制作的小實(shí)驗(yàn)則較少，作者就后者加以探索與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞： 物理教學(xué) 小實(shí)驗(yàn) 物理習(xí)題

莊子曰：判天地之美，析萬(wàn)物之理。物理學(xué)是一門剖析萬(wàn)物運(yùn)動(dòng)之理、崇尚理性與邏輯、蘊(yùn)涵美學(xué)思想的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)科，是一門從科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)展起來(lái)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中起到至關(guān)重要的作用。教師自制簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)教具，是對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材的補(bǔ)充，具有取材容易、成本低廉的特點(diǎn)，深受師生喜歡。但是，教師在設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易物理教具時(shí)，制作突破課時(shí)重點(diǎn)和解釋規(guī)律內(nèi)涵的實(shí)驗(yàn)教具較多，為了破解習(xí)題的難點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)制作的迷你小實(shí)驗(yàn)則較少。筆者結(jié)合多年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐，就后者談?wù)勛约旱难芯颗c實(shí)踐。

一、巧做簡(jiǎn)易小實(shí)驗(yàn)，突破力學(xué)習(xí)題難點(diǎn)

制作簡(jiǎn)易物理小實(shí)驗(yàn)，突破力學(xué)習(xí)題難點(diǎn)。天地廣闊，大有作為。

例1：已知兩個(gè)分力F、F大小恒定，改變兩分力之間的夾角θ，則關(guān)于合力F大小的變化情況，下列說(shuō)法中正確的是（ ）

A.θ角變大時(shí)，合力F大小變小

B.θ角變大時(shí)，合力F大小變大

C.θ角變小時(shí)，合力F大小變大

D.θ角變小時(shí)，合力F大小變小

例2：已知合力F的大小恒定，改變兩分力F、F之間的夾角θ，則關(guān)于兩個(gè)分力大小的變化情況，下列說(shuō)法中正確的是（ ）

A.θ角變大時(shí)，兩個(gè)分力都變大

B.θ角變大時(shí)，兩個(gè)分力都變小

C.θ角變小時(shí)，兩個(gè)分力一個(gè)變大，一個(gè)變小

D.θ角變小時(shí)，兩個(gè)分力都變小

解析：這兩道習(xí)題是學(xué)習(xí)“力的合成”時(shí)學(xué)生的必做題，對(duì)于剛剛接觸力的合成的高一新生來(lái)說(shuō)，還是有一定難度的。憑借教師的講解固然能解決問(wèn)題，但遠(yuǎn)不如通過(guò)小實(shí)驗(yàn)的演示給學(xué)生的印象深刻，記憶牢固。

對(duì)于例1，筆者設(shè)計(jì)制作了如下草根化小實(shí)驗(yàn)。

材料：2mm厚的硬紙板一塊，將其剪成拇指寬的紙條五根，細(xì)鐵絲若干、不干膠彩紙三張。

制作：把五根硬紙條按照平行四邊形形狀排列，注意平行四邊形四條邊長(zhǎng)短固定。而代表對(duì)角線的紙條一端與兩分力固定，一端活動(dòng)。用細(xì)鐵絲捆扎作扣，形成如圖1所示形狀。改變兩分力間夾角，可得合力大小變化情況。

現(xiàn)象非常明顯，令人印象深刻，正確答案AC。

對(duì)于例2，筆者設(shè)計(jì)了如下簡(jiǎn)易的小實(shí)驗(yàn)。

材料：寬度為1cm的薄金屬條五根，三種不同顏色的絕緣膠帶三卷，固定螺絲兩個(gè)。

制作：取一根金屬條兩端打孔，作為合力使用，用紅色膠帶纏繞（增加實(shí)驗(yàn)可視性）。另外四根金屬條一端打孔，其中兩根用藍(lán)色膠帶纏繞作為兩個(gè)變化的分力，剩余兩根用黃色膠帶纏繞，作為平行四邊形的兩條輔助邊。把五根金屬條按如圖2所示組裝即可。

先使兩條藍(lán)色邊（代表兩個(gè)分力）夾角較小，調(diào)節(jié)兩條黃色邊，使四邊形對(duì)邊平行，此時(shí)可目測(cè)出兩個(gè)分力的大小。

再使兩條藍(lán)色邊（代表兩個(gè)分力）夾角變大，調(diào)節(jié)兩條黃色邊，使四邊形對(duì)邊平行，此時(shí)也可目測(cè)出兩個(gè)分力的大小。

比較兩次分力的大小與其夾角的關(guān)系，就很容易得出：當(dāng)合力不變時(shí)，兩個(gè)分力的大小隨其夾角的增大而增大（減小而減小）的結(jié)論。

這樣避免了講授的繁瑣和疑惑，正確答案AD。

例3：如圖3所示，在一個(gè)礦泉水瓶子里裝上水，只留一小部分空間，水內(nèi)有一個(gè)小氣泡。當(dāng)使瓶子突然向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是（ ）

A.氣泡將向左運(yùn)動(dòng) B.氣泡將向右運(yùn)動(dòng)

C.氣泡將靜止不動(dòng) D.氣泡將向下運(yùn)動(dòng)

解析：這是學(xué)習(xí)慣性定律時(shí)常見的一道難題，學(xué)生會(huì)機(jī)械地運(yùn)用慣性定律錯(cuò)誤地判斷答案為選項(xiàng)A。為了突破這個(gè)習(xí)題難點(diǎn)，僅憑教師理論的分析，學(xué)生難以理解，也記不住，還是眼見為實(shí)的好。為此筆者設(shè)計(jì)制作了如圖4所示的演示器，輕松地解決了這個(gè)難點(diǎn)。

材料：透明塑料水槽（帶蓋）；乒乓球（為了增加可視性，本實(shí)驗(yàn)用藍(lán)色塑料球代替）和實(shí)心金屬物各一只；吸盤兩個(gè)；細(xì)線若干。

制作：將藍(lán)色塑料球用細(xì)線和吸盤固定在水槽底部，將實(shí)心金屬物用細(xì)線和吸盤吊于水槽頂蓋上，連接塑料球和金屬物的細(xì)線留有可調(diào)節(jié)余地。

向水槽內(nèi)注入適量水（約為槽容積3/4），調(diào)整繩子長(zhǎng)度，讓塑料球和金屬物高度基本一致，如圖4所示。

應(yīng)用：如圖5所示，向右快速拉動(dòng)水槽，可以明顯看出，金屬物擺動(dòng)方向向左（與水槽運(yùn)動(dòng)方向相反），塑料球運(yùn)動(dòng)方向向右（與水槽運(yùn)動(dòng)方向相同）。

解析：質(zhì)量是慣性大小的唯一量度。塑料球、金屬物與等體積的水相比，金屬球質(zhì)量最大，慣性最大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最難改變，最為滯后；塑料球質(zhì)量最小，慣性最小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)最易改變，最為超前。

如此學(xué)生親自做了實(shí)驗(yàn)，觀察了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再用理論分析，便對(duì)慣性定律理解得更全面，記憶也更深刻，本題正確答案B。

二、學(xué)生自制小實(shí)驗(yàn)，領(lǐng)略理論與實(shí)踐相聯(lián)系的內(nèi)涵

百聞不如一見，一見不如體驗(yàn)。學(xué)生若能親身體驗(yàn)題目所描繪的情境，則會(huì)認(rèn)知清楚，終生難忘。

例4：如圖6所示，輕質(zhì)細(xì)桿AB一端被鉸鏈固定于豎直墻壁上，另一端與細(xì)繩CB和BD連接，繩BD下方與重物相連，已知重物重力為G，且CB與AB間夾角為θ。請(qǐng)用力的分解的知識(shí)，畫出重物對(duì)輕桿AB和細(xì)繩CB所施力的方向。

解析這是一道按照力的作用效果進(jìn)行力的分解的典型例題，習(xí)題難點(diǎn)在于學(xué)生不知重力對(duì)AB桿和CB繩分力的方向，所以就無(wú)法利用平行四邊形法則做出如圖7所示的正確的重力分解圖。

如何突破這一習(xí)題難點(diǎn)？

筆者大膽改革，讓學(xué)生課堂上自制小實(shí)驗(yàn)，親身體驗(yàn)重力分力的方向。學(xué)生熱情高漲，小組合作氣氛熱烈，許多學(xué)生都制作出了如圖8、圖9所示的小實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)到了輕桿對(duì)手心的壓力（重力的水平分力）；細(xì)繩對(duì)手的斜向下的拉力（重力的斜向下分力），印象深刻，痛感明顯，永生難忘，有效地突破了習(xí)題的難點(diǎn)。

三、一“器”多用，突破系列磁場(chǎng)習(xí)題難點(diǎn)

1.制作“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”，突破粒子速度大小不變、方向改變的運(yùn)動(dòng)類習(xí)題難點(diǎn)。

（1）帶電粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為多大？

（2）從BC邊界射出的粒子中，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最短時(shí)間為多少？

解析：本題的難點(diǎn)在于第（2）問(wèn)，產(chǎn)生困難的原因之一是：學(xué)生頭腦中沒(méi)有形成粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的空間動(dòng)態(tài)的軌跡變化圖，即動(dòng)態(tài)圓，所以就找不到滿足題意的臨界軌跡圖。而設(shè)計(jì)針對(duì)性的迷你小實(shí)驗(yàn)是突破此類難點(diǎn)的不二法門。筆者制作了簡(jiǎn)易的“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”，突破系列此類物理習(xí)題難點(diǎn)，教學(xué)效果顯著。

材料：鋼性漆包線、硬紙板（用于畫出磁場(chǎng)和邊界，在黑板上直接作圖也可以）。

制作：用漆包線繞成大小合適的圓環(huán)，表示帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡（拉扯可動(dòng)邊，可以方便地改變圓周半徑的大?。灰欢擞靡粭l顏色鮮艷的紙制作的箭頭，表示進(jìn)入磁場(chǎng)的速度方向。如圖11所示。

2.運(yùn)用“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”，解決粒子速度方向不變、大小改變的運(yùn)動(dòng)類習(xí)題難點(diǎn)。

解析：此題需要學(xué)生運(yùn)用“動(dòng)態(tài)圓”方法，想象或描繪出從CD邊射出的粒子臨界運(yùn)動(dòng)軌跡，利用幾何關(guān)系求出臨界軌跡的半徑，即可求出滿足題意的粒子速度范圍。而利用“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”則可以輔助學(xué)生思考，順利找到臨界軌跡。

應(yīng)用：如圖16所示：按住結(jié)點(diǎn)，保證入射方向不變，拉漆包線的另一端，改變圓環(huán)的半徑，即可模擬帶電粒子以不同大小的速度進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，從右邊界射出的情景。圖17、圖19為臨界軌跡，圖18為過(guò)渡軌跡。因?yàn)閹缀侮P(guān)系很容易求出臨界軌跡的半徑，所以速度范圍問(wèn)題迎刃而解。

3.巧用“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”，演示粒子速度方向被約束的運(yùn)動(dòng)類習(xí)題難點(diǎn)。

例7：如圖21所示，在屏MN的上方有磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里，P為屏上的一個(gè)小孔，PC與MN垂直。一群質(zhì)量為m、帶電荷量為-q的粒子（不計(jì)重力），以相同的速率v，從P處沿垂直于磁場(chǎng)的方向射入磁場(chǎng)區(qū)域。粒子入射方向在與磁場(chǎng)B垂直的平面內(nèi)，且散開在與PC夾角為θ的范圍內(nèi).則在屏MN上被粒子打中的區(qū)域的長(zhǎng)度為（ ）

解析：此題與例5不同，v的方向被約束在與PC左右夾角為θ的扇形區(qū)域內(nèi)，要求學(xué)生具有很強(qiáng)的空間想象力，想象出當(dāng)粒子沿兩條虛線入射時(shí)，在MN上交與同一點(diǎn)且離P點(diǎn)最近的臨界，當(dāng)粒子沿PC入射時(shí)，與MN交點(diǎn)離P點(diǎn)最遠(yuǎn)的臨界，而這正是本題的難點(diǎn)。利用“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化演示器”，可以清晰地演示出在屏MN上被粒子打中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，方便確定離P點(diǎn)的最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)，其間距即為所求區(qū)域的長(zhǎng)度。

應(yīng)用：如圖22所示，在一張白紙上先畫出題圖（也可以在黑板上事先畫出）。按住結(jié)點(diǎn)，調(diào)整好圓半徑，讓代表粒子入射方向的綠色箭頭先對(duì)準(zhǔn)左邊的虛線（如圖23所示），此時(shí)圓周與MN交點(diǎn)記為N點(diǎn)。以結(jié)點(diǎn)為軸使圓周由左向右動(dòng)態(tài)變化，注意觀察圓周與MN交點(diǎn)的移動(dòng)情況。交點(diǎn)先向右移動(dòng)，當(dāng)箭頭沿PC方向（如圖24所示）時(shí)，交點(diǎn)離P點(diǎn)最遠(yuǎn)，記為D點(diǎn)。箭頭繼續(xù)向右轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)交點(diǎn)反而向左移動(dòng)，且當(dāng)箭頭對(duì)準(zhǔn)右邊虛線時(shí)，交點(diǎn)與剛開始的N點(diǎn)重合，為離P點(diǎn)最近點(diǎn)（如圖25所示）。ND的長(zhǎng)度即為所求。

四、基于“突破習(xí)題關(guān)”的簡(jiǎn)易教具制作的思考

1.簡(jiǎn)單易行，物美價(jià)廉，培養(yǎng)環(huán)保節(jié)約的優(yōu)良習(xí)慣。

大道至簡(jiǎn)，一個(gè)好的物理實(shí)驗(yàn)教具，在解決問(wèn)題的前提下，應(yīng)該遵循物美價(jià)廉、簡(jiǎn)單易行的原則。取材容易，廢物利用，符合環(huán)保節(jié)約的時(shí)代要求，有助于習(xí)題解決，師生都喜聞樂(lè)見。

2.教師主導(dǎo)，學(xué)生參與，體現(xiàn)師生合作的教學(xué)特點(diǎn)。

基于“習(xí)題難點(diǎn)突破”的教具制作不能只是教師的事情，還要充分發(fā)動(dòng)學(xué)生參與。發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，學(xué)用結(jié)合，有利于知識(shí)的鞏固和深化。學(xué)生在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，思維靈活積極踴躍，有時(shí)會(huì)設(shè)計(jì)出令教師驚訝的實(shí)驗(yàn)，制作出令人耳目一新的教具，師生合作，其樂(lè)融融。

江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究室2014年立項(xiàng)課題：《高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和趣味實(shí)驗(yàn)開發(fā)和利用的研究》課題論文。