靈活利用家用物品 巧妙自制物理教具

孫寶印 楊婷妍 王芳蘇 周 坤*

(1. 蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學(xué)文正學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，在課堂教學(xué)中教師都很重視實(shí)驗(yàn)的引入.一方面，加涅信息加工理論認(rèn)為學(xué)習(xí)過程就是一個(gè)信息加工的過程，學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)需要借助以往認(rèn)知，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，如果直接引入學(xué)生從未見過的或與學(xué)生認(rèn)知脫節(jié)的儀器，會(huì)造成學(xué)生理解上的困難；另一方面，在全國抗擊新冠肺炎疫情的特殊時(shí)期，教師在家網(wǎng)絡(luò)授課，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)儀器不在身邊，難以開展實(shí)驗(yàn).為解決以上難題，需要教師做一個(gè)有心人，善于發(fā)現(xiàn)家中跟物理教學(xué)相關(guān)的物品，并對(duì)這些物品加以改造，制作成物理教具并用于教學(xué).這樣在物理教學(xué)中盡可能的增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以幫助學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，增加對(duì)物理的親切感，提高學(xué)習(xí)物理的興趣，而且對(duì)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成具有重要的意義.

1 自制大氣壓力演示儀，輔助學(xué)生概念理解，促進(jìn)物理觀念養(yǎng)成

人們雖然生活在空氣當(dāng)中，但是對(duì)大氣壓的存在卻“毫無感覺”，直到馬德寶半球?qū)嶒?yàn)出現(xiàn)，人們才恍然大悟.馬德寶半球?qū)嶒?yàn)效果明顯，但是對(duì)器材和操作要求比較高，在課堂中演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)比較困難.對(duì)于驗(yàn)證大氣壓力的存在，蘇科版《物理》八年級(jí)下冊(cè)給出易拉罐冷卻變憋實(shí)驗(yàn)，即在空易拉罐中加入少量水，加熱至沸騰，然后用橡皮泥封住罐口，讓易拉罐自然冷卻，過一段時(shí)間易拉罐會(huì)發(fā)生變憋的現(xiàn)象.這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然效果也明顯，但是存在水從液態(tài)到氣態(tài)，排出空氣，再到氣態(tài)水變成液態(tài)水，這里面涉及到物質(zhì)狀態(tài)的改變以及物質(zhì)種類的變化，這給學(xué)生分析物理過程造成困難，因此，在對(duì)學(xué)生提問易拉罐變憋原因時(shí)，許多學(xué)生由于認(rèn)知的限制，回答是“熱脹冷縮”，這與易拉罐被大氣壓憋的結(jié)論南轅北轍.其次，實(shí)驗(yàn)中會(huì)加熱至100 ℃，有一定的安全風(fēng)險(xiǎn).因此，筆者利用家中的餐桌墊和柜門把手，制作了能夠直接演示大氣壓力的實(shí)驗(yàn)儀，具體如下.

1.1 制作過程

實(shí)驗(yàn)器材：軟桌墊，墊片，柜門把手，方凳等；

(1) 選取柔軟皮質(zhì)的桌墊，此種材質(zhì)的桌墊吸附力強(qiáng)，演示效果明顯，尺寸選擇30×30 cm；

(2) 在軟墊中央位置鉆一個(gè)小孔，選取一個(gè)塑料柜門把手，加上墊片，固定在墊子中央小孔處，作為儀器的把手，確保固定牢固.

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

第1步：選取一個(gè)方凳或者小方桌，把自制大氣壓力演示儀放在上面，攤平排出空氣.

第2步：拉住把手向上提，發(fā)現(xiàn)方凳或小方桌可以被把手連著墊子提起來，如圖1所示.

第3步：放下儀器，不從中央把手處，而是從儀器邊緣提起一角，發(fā)現(xiàn)墊子直接被提起，方凳或小方桌不會(huì)被提起，如圖2所示.

第4步：估算墊子所受大氣壓力的大小.

圖1 從邊緣拉壓力演示儀

圖2 從中間拉壓力演示儀

總結(jié)： 大氣壓力容易被人忽視，學(xué)生在生活中可能并未建立起大氣壓力具體有多大的概念.本實(shí)驗(yàn)儀通過提起一個(gè)方凳或小方桌來讓學(xué)生產(chǎn)生一個(gè)直觀印象，讓學(xué)生自己估算出大氣壓力的大小.這就培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)解釋身邊的現(xiàn)象和解決生活中問題的能力，也有助于學(xué)生形成“物理觀念”，養(yǎng)成物理的自然觀，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)的提升.

2 自制靜電實(shí)驗(yàn)儀，指導(dǎo)學(xué)生科研方法，發(fā)展科學(xué)思維素養(yǎng)

電蚊拍是家中常備之物，學(xué)生在生活中經(jīng)常使用電蚊拍滅殺蚊蟲，也對(duì)按下開關(guān)后出現(xiàn)的放電現(xiàn)象感到好奇，甚至也有被電蚊拍電過的“慘痛”經(jīng)歷.電蚊拍的工作原理是通過高頻振蕩電路把3 V直流電轉(zhuǎn)化為18 kHz左右的高頻交變電流，再通過3倍壓整流電路把交流電轉(zhuǎn)換為1500 V左右的直流電，通到電蚊拍的金屬網(wǎng)上.當(dāng)蚊蟲觸及電網(wǎng)時(shí)，造成電網(wǎng)短路，產(chǎn)生電流或電弧將蚊蟲擊斃或電暈.電蚊拍的內(nèi)部電路能產(chǎn)生小于1 mA高壓直流,對(duì)人沒有危險(xiǎn)，可以用來做高壓靜電實(shí)驗(yàn).靜電實(shí)驗(yàn)儀制作過程和操作方法如下.

2.1 制作過程

實(shí)驗(yàn)器材：電蚊拍，易拉罐，香煙的錫紙，塑料瓶，塑料泡沫板，導(dǎo)線，剪刀等.

(1) 用剪刀把易拉罐剪成圓片，直徑約為12 cm，制作4個(gè)圓片；

(2) 把錫紙用手搓成許多小圓球，數(shù)量為50個(gè)，小圓球直徑不超過0.5 cm；

(3) 選取口徑較大的塑料瓶，直徑10 cm-12 cm，用剪刀剪下高為5 cm左右的環(huán)形邊；

(4) 選取做好的2個(gè)圓鋁片和環(huán)形邊組成封閉容器，里面裝上做好的小錫球，用熱熔膠固定，這就是靜電跳球?qū)嶒?yàn)儀，如圖3所示；

(5) 選取做好的2個(gè)圓鋁片，平行插入塑料泡沫板上，使兩板距離為5 cm，用手搓一個(gè)直徑為1 cm的錫球，用細(xì)線系住使之懸在2圓片之間，這就是靜電擺球?qū)嶒?yàn)儀，如圖4所示.

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

第1步：演示靜電跳球.

選取兩頭都為夾子的導(dǎo)線，一根導(dǎo)線接在電蚊拍高壓電網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)上，另一根接在外網(wǎng)上(內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間是高壓)，兩根導(dǎo)線的另一端分別接靜電跳球?qū)嶒?yàn)儀的2個(gè)鋁片上，如圖3所示，打開電蚊拍電源開關(guān)，可以觀察到錫球在上下兩板間來回跳動(dòng).

第2步：演示靜電擺球.

用導(dǎo)線把擺球?qū)嶒?yàn)儀的兩塊鋁片分別接到電蚊拍高壓電網(wǎng)的內(nèi)外網(wǎng)上，如圖4所示，打開電蚊拍，可以觀察到錫紙小球在兩個(gè)鋁片間來回?cái)[動(dòng).

圖3 靜電跳球

圖4 靜電擺球

總結(jié)：以上兩個(gè)靜電實(shí)驗(yàn)的原理大體一致，電蚊拍電源打開時(shí)產(chǎn)生的高壓電荷被送到兩個(gè)鋁片上，由于帶上電荷的物體具有吸引輕小物體的性質(zhì)，錫紙搓成的小球就被吸引過去了.當(dāng)小球接觸到鋁片時(shí)，會(huì)帶上與之極性相同的電荷.由于同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，帶上電荷的小球就會(huì)被排斥，同時(shí)又會(huì)被另一個(gè)鋁片吸引.當(dāng)接觸到另一個(gè)鋁片時(shí)，由于小球的電荷與這個(gè)鋁片的電荷不同，小球中的電荷立刻被中和，并且?guī)吓c這個(gè)鋁片相同的電荷.這時(shí)，小球又會(huì)被這個(gè)鋁片排斥，被另一個(gè)鋁片吸引.如此往復(fù)，小球就不停地跳動(dòng)或擺動(dòng)起來.

本靜電實(shí)驗(yàn)儀制作簡單，而且使用電蚊拍作為電源，讓學(xué)生感覺親切，使物理實(shí)驗(yàn)貼近生活，接地氣.而且實(shí)驗(yàn)中注重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的分析和推理論證，例如讓學(xué)生分析小球與兩極板碰撞過程中所帶電荷極性變化情況，這個(gè)過程可以訓(xùn)練學(xué)生掌握模型構(gòu)建、科學(xué)推理、科學(xué)論證的等科學(xué)研究方法，提升學(xué)生的“科學(xué)思維”素養(yǎng).

3 自制聲音顯示儀，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力，提升科學(xué)探究素養(yǎng)

聲音是人類從外界獲取信息的一種重要方式，但人們經(jīng)常注重“眼見為實(shí)”，所以如何把用耳朵聽的聲音與視覺實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來是聲音演示實(shí)驗(yàn)的一個(gè)亮點(diǎn).聲音是由于物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的縱波，聲音具有能量.頻率和振幅是描述波的重要屬性，頻率的大小與我們通常所說的音高對(duì)應(yīng)，而振幅影響聲音的大小.聲音作為波的一種，為了能夠簡單方便地演示聲音圖形，反映不同頻率和幅度的聲音差異，我們利用生活中常用的塑料瓶和氣球自制了一個(gè)聲音顯示儀.

3.1 制作過程

實(shí)驗(yàn)器材：圓形塑料瓶(比如裝堅(jiān)果的塑料瓶)，氣球，小鏡片，激光筆，剪刀等.

(1) 用剪刀把塑料瓶底剪掉；

(2) 用剪刀把氣球的氣口處剪掉，使口子處容易拉寬；

(3) 把氣球套在塑料瓶上，固定住；

(4) 用雙面膠把小鏡片貼在氣球中央位置，做好實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示.

3.2 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 嘴對(duì)著塑料瓶缺口一端，拿激光筆對(duì)準(zhǔn)小鏡片，光點(diǎn)反射在墻壁上；

(2) 持續(xù)發(fā)出“啊”的聲音，觀察激光斑點(diǎn)的圖形；

(3) 改變聲音的大小，觀察圖形變化；

(4) 持續(xù)發(fā)出“嗚”的聲音，觀察激光斑點(diǎn)的圖形；

(5) 改變聲音的大小，觀察圖形變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖5 聲音顯示器

圖6 不同頻率和幅度顯示圖形

總結(jié)：人們?cè)诎l(fā)出不同話語時(shí)，聲音振動(dòng)的幅度和頻率是不一樣的，而聽眾接受到的頻率和幅度也不一樣，能量也不一樣.當(dāng)人在聲音顯示儀的另一端說話時(shí)，在墻上會(huì)顯示激光的斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，說相同單字語音時(shí)，光斑一致，當(dāng)音量變大時(shí)，形狀不變但光斑變大；說不同語音時(shí)，光斑形狀不一致.這說明頻率會(huì)改變光斑形狀，而幅度會(huì)改變光斑的大小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖6所示.

此實(shí)驗(yàn)是利用家中常用物件制作聲音顯示裝置，在實(shí)驗(yàn)過程中，需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所提問題進(jìn)行猜想和假設(shè)，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，形成研究方案，然后通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的猜想，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論.通過此過程教師可以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和引導(dǎo)學(xué)生對(duì)探究結(jié)果進(jìn)行交流和分析.因此，通過與生活密切相關(guān)的自制聲學(xué)顯示儀可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，提升科學(xué)探究素養(yǎng).

4 自制椎體上滾實(shí)驗(yàn)儀，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑精神，提高科學(xué)態(tài)度和責(zé)任意識(shí)

牛頓萬有引力定律告訴我們，在重力場(chǎng)中可以自由運(yùn)動(dòng)的物體，其平衡位置是其重力勢(shì)能極小的位置.處于重力場(chǎng)中的物體當(dāng)它的重力勢(shì)能不是極小值時(shí)，重力的作用總會(huì)使它向重力勢(shì)能減小的方向運(yùn)動(dòng)，即“物體自然下落”.但是河北邢臺(tái)就有這樣一處怪坡，在坡上騎車，下坡時(shí)費(fèi)力而上坡卻省力，其實(shí)這是一種“視覺錯(cuò)覺”，給人一種水往高處流的錯(cuò)覺.為了演示這一現(xiàn)象，我們利用家庭常見物品，自制了椎體上滾演示儀.

4.1 制作過程

圖7 椎體上滾實(shí)驗(yàn)儀

錐體上滾演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，由2根金屬橫桿，1個(gè)雙錐體構(gòu)成.該儀器軌道的角度固定，但可調(diào)節(jié)高度.金屬橫桿構(gòu)成的軌道從側(cè)面觀察起來像一個(gè)斜坡.金屬雙錐體是對(duì)稱的兩個(gè)椎體，兩端尖且薄.材料規(guī)格如下.

(1) V型軌道.

選取家庭常用的兩塊高度不同的椅子坐墊：較矮的墊塊高度h1=5.10 cm , 較高的墊塊高度h2=7.80 cm，高度差H=2.70 cm，軌道在開口端兩端的距離D=10.5cm，軌道的傾角γ=3.5°.

(2) 雙錐體.

兩個(gè)漏斗：母線長l=8.90cm，錐體半徑r=4.55cm ,錐體頂角α=60.5°，錐體半長度d=7.50cm，雙面膠(粘連兩個(gè)漏斗).

4.2 實(shí)驗(yàn)操作

(1) 將兩個(gè)漏斗口對(duì)口粘好，然后將低端和高端墊塊分別放置在左右兩側(cè)；

(2) 在墊子上放上鐵質(zhì)軌道，低端封口，高端張口，調(diào)整好軌道角度；

(3) 將雙椎體放在軌道上，如圖8所示，會(huì)看到圓錐體由慢變快向上滾動(dòng)，若上滾距離較短，可適當(dāng)張開一些軌道的角度.

(4) 調(diào)整導(dǎo)軌張角和墊子距離，如圖7所示，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)采用的都是學(xué)生熟悉的家庭物件，比如坐墊，蚊帳桿，倒油用的漏斗，拉進(jìn)了物理與生活距離.通過實(shí)驗(yàn)的視覺錯(cuò)覺對(duì)學(xué)生產(chǎn)生震撼，激發(fā)學(xué)生思考，是否機(jī)械能不守恒？從而引出影響重力勢(shì)能大小的因素.實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練了學(xué)生質(zhì)疑精神，讓學(xué)生產(chǎn)生實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)理念，培養(yǎng)了學(xué)生樹立正確的科學(xué)態(tài)度和擔(dān)負(fù)科學(xué)責(zé)任的意識(shí).

靈活利用家用物品，巧妙自制物理教具.不僅可以拉近物理與生活的距離，讓物理更加有趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且有助于學(xué)生“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”以及“科學(xué)態(tài)度和責(zé)任” 等物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展.