可視化演示實驗兩則

劉信生 張貴林

摘 ? 要：物理教學關鍵在課堂，課堂教學的抓手在實驗創(chuàng)新，可視化實驗教學要求我們有更優(yōu)的教學器具，讓學生能在實驗過程中調動各種感官，在形象思維中高效學習。筆者自制“杠桿平衡演示儀”和“多功能驗電器”教具，將它們應用在實際教學過程中，進一步證明了可視化實驗教學對課堂教學的促進作用，激發(fā)了學生積極思維的品質，提升了學生的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：可視化實驗;自制教具;教學效果

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）5-0046-4

物理學是一門以實驗為基礎的科學。筆者針對初中學生的認知特點，開發(fā)一些可視化的演示實驗，以激起學生的好奇心。

本文介紹筆者自制的科技創(chuàng)新作品“杠桿平衡演示儀”和“多功能驗電器”。

1 ? ?杠桿平衡演示儀

1.1 ? ?設計思路和原理

初中物理教材杠桿平衡條件探究實驗中力臂概念是教學的難點。筆者看到工地上有一種激光十字儀，它的兩條激光線始終垂直。根據這個特點，筆者設法將其用到教具上。調節(jié)激光燈頭使一條激光線a過杠桿的支點，另一條激光線與動力（或阻力）作用線b重合，那么力臂就是支點到力的作用線的垂直距離，這個線段完全由激光線呈現出來;再設計一個能繞支點任意轉動（支點處為零刻度線）的不銹鋼毫米刻度尺，使鋼尺與a線重合，能夠方便讀出力臂大小。

1.2 ? ?器材的結構和組裝

主體結構：不銹鋼毫米刻度尺6把（量程

30 cm）、木質演示杠桿、測力計（0～5 N）、重垂線、免漆板等。

輔體結構：光具座、紅外線激光十字儀、充電寶、伸縮天線桿，如圖2所示。

①在免漆木工板的中心固定軸上安裝一根長方體木條，表面嵌有兩把不銹鋼刻度尺，使兩把尺子的零刻度線與轉軸重合。

②在相同的轉軸上，長木條前方再安裝演示杠桿，讓其自由轉動，轉軸下懸掛一枚小重錘。

③在免漆木工板上方安裝一個窗簾滑道，滑道內有一金屬滑塊，滑塊可以在窗簾滑道上左右移動。在滑塊前后方向打一小孔，插入一帶有螺母的細螺絲。螺絲前段焊接一微型萬向轉軸，再在前端用強力膠粘上測力計的后蓋，使測力計整體可以在豎直平面內自由轉動，也可以調節(jié)螺母使其前后移動，使測力計和演示儀在同一平面內，保證測力計正確測量。

④免漆木工板上、下兩行均固定相互平行的兩把不銹鋼毫米刻度尺，注意：這6把鋼尺的零刻度線在豎直位置均對齊（鋼尺的零刻度線以外的空白部分應切除或磨掉）。

⑤在改進后的光具座支架上固定收縮天線桿，頂上端固定一枚紅外線激光十字儀，由充電寶供電。接通電路，十字激光照射在免漆板上，上下左右且旋轉調節(jié)光具座上的十字儀的激光頭，使一條光線與力的作用線重合，另一條光線一定要過杠桿的支點，這時支點到力的作用線的激光線段長即為力臂的長度。轉動木條鋼尺，使鋼尺與激光線平行即可，測出力臂的大小。

1.3 ? ?演示和操作過程

（1）探究動力、阻力與杠桿垂直，杠桿在水平位置平衡的條件

①上下移動紅外線激光十字儀，使十字交點正對杠桿支點，一條光線與重垂線重合，另一條光線一定處于水平位置，調節(jié)杠桿兩端的螺母，使杠桿在不掛鉤碼時與水平光線重合，即達到水平平衡狀態(tài)。

②給杠桿兩端掛上不同數量的鉤碼，移動鉤碼的位置，使杠桿再一次在水平平衡。這時杠桿兩端受到的作用力等于各自鉤碼的總重量。

③把支點右邊的鉤碼重量當作動力F1，右側懸掛點到支點的距離為動力臂 L1;支點左邊的鉤碼重量當作阻力F2，左側懸掛點到支點的距離為阻力臂L2，把測量數據填入表格。

（2）再探究動力與杠桿不垂直，杠桿在水平位置平衡的條件

①按上述過程的第1步重復一遍。

②在杠桿支點任意一側加掛鉤碼，用彈簧測力計傾斜施力，拉住杠桿使其在水平位置再次平衡，如圖3所示。

③在光具座上下左右移動紅外線激光十字儀（利用兩條激光始終垂直的特點），很快找到測力計拉力的力臂位置，轉動木條刻度尺測出動力臂L1，測力計拉力讀數為F1，鉤碼的重量為F2，對應的力臂為L2，把測量數據填入表格。

（3）再探究動力與杠桿不垂直，杠桿不在水平位置平衡的條件

①任意旋轉杠桿的平衡螺母，有意使杠桿不在水平位置靜止，然后轉動杠桿后面的長方體木條刻度尺使它與杠桿重合（正視時看不到木條尺為準），目的是確定好杠桿不掛鉤碼靜止的位置。

②在演示杠桿的一端加掛鉤碼若干，再用彈簧測力計掛鉤拉住杠桿，在滑道內左右移動測力計懸掛點，再次讓杠桿與后面的長方體木條尺重合（再次回到步驟1中的位置），可以讀出測力計示數F1，鉤碼總重量為F2。

③再次移動紅外激光十字儀，并轉動光束使其一條光線與測力計拉力的細線重合，另一條光線過杠桿的支點，顯示出力臂的位置，然后轉動木條尺使其與力臂位置重合，讀出力臂L1，再次移動激光儀讀出鉤碼的力臂L2，把測量數據填入表格。

用以上裝置實驗，實驗過程清晰簡便。

2 ? ?多功能驗電器

2.1 ? ?設計思路及原理

中學物理中關于靜電現象是利用驗電器來檢驗物體是否帶電的，驗電器的原理是同種電荷相互排斥。但它無法區(qū)分電荷的種類，實際上帶電荷的多少也很難準確檢測。我們根據場效應管的特殊開關效果，利用負壓（負電荷）或者正壓（正電荷）接觸場效應管柵極驅動漏極和源極導通，并結合三極管的放大作用，設計兩種不同的放大電路，對正負電荷產生不同的效應，讓不同的電荷驅動閉合電路中的雙色LED燈發(fā)出不同的色光，并且與之并聯(lián)的蜂鳴器工作發(fā)出聲音，串在電路中的靈敏電流計分別因不同的電荷向對應的方向發(fā)生偏轉，其原理圖如圖4所示。

2.2 ? ?驗電器結構和使用

裝置的外觀圖如圖5所示。驗電器的底座用乳白色亞克力板制作，電路焊接在線路板上，用3 V電源供電，用靜電無法點亮LED燈，但可以驅動低壓直流電的原理制成了放大電路。圖6是內部電路圖，其中Q1和Q2是兩只起到電路開關作用的場效應管，Q1為N溝道場效應管，型號為IRF630，用來檢測正電荷;Q2為P溝道場效應管，型號為IRF9630，用來檢測負電荷。LED燈為紅、綠雙色發(fā)光二極管，正電荷使其發(fā)紅光，負電荷使其發(fā)綠光。Ne為高阻值氖管，D3、D4為普通二極管。在電路中起保護作用，電源為3 V干電池。

在實踐制作活動中，我們可以繼續(xù)優(yōu)化電路。以檢驗正電荷電路為例，為了方便學生既能看到不同色光，又能聽到蜂鳴器的聲音，還能看到電流表指針的偏轉，調動學生的各種感官，實驗效果會更好，把實驗電路簡化成如圖7所示的電路，其中C為3 V蜂鳴器，再串聯(lián)一個學生用電流表，去掉多余的元器件。這樣一來，學生都可以親手制作，也降低了制作成本，更具有推廣的實用價值。

操作步驟：首先接通總電路開關，若把正負電荷轉換開關撥向“+”極，然后把用絲綢摩擦過的玻璃棒接觸金屬桿，這時雙色LED燈亮且為紅色，與之串聯(lián)的蜂鳴器響起，靈敏電流計的指針向右邊的“+”偏轉，說明此時的玻璃棒帶正電荷。若將毛皮摩擦過的橡膠棒接觸金屬桿，則沒有反應;此時再把正負電荷轉換開關撥向 “-”極，這時雙色LED燈亮且為綠色，與之串聯(lián)的蜂鳴器響起，靈敏電流計的指針向左邊的“-”偏轉，說明此時的橡膠棒帶負電荷。若將一物體接觸金屬桿，進行上述操作均無反應，則不帶電。此時的電路一直工作不停止，為了斷開燈和蜂鳴器進行下次實驗，用手接觸一下正電荷接地按鈕即可。取任一物體，可以用上述方法檢測是否帶電或帶何種電荷。

該多功能驗電器功能大大增加，不僅可以檢驗物體是否帶電，而且可以檢驗電荷的種類和物體電荷量的大小。檢驗電荷正負可以通過觀察燈光顏色區(qū)分，通過觀察LED燈的亮度和靈敏計指針的偏轉角度大小可以檢驗帶電體所帶電荷量的多少。

注：文中的多功能驗電器已申請專利，專利號201921269392.6

參考文獻：

[1]華東地區(qū)初中物理教材編寫組.義務教育課程標準實驗教科書物理八年級下冊[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，廣州：廣東教育出版社，2006：46-48.

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[3]連武，湯金波.學生自主創(chuàng)新實驗讓物理學科核心素養(yǎng)落地生根[J].中學物理，2018，36（4）：8-11.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）