农村高中自制物理实验教具的实践与研究

2012-01-23郑建文

物理通报 2012年11期

郑建文

(淳安县汾口中学浙江杭州 311719)

高中物理实验涉及物理学科的各领域，它既能使所学知识在实验中加以体验与应用，又能帮助学生去探究新的知识，实验已成为新课程改革中最为重要的环节．

现行的高中物理实验教学中，存在着众多的弊端：一是很多学校学生实验没按规定开足开齐，实验没有得到充分重视；二是许多教师不重视演示实验，而是黑板上“讲实验”，学生往往感到枯燥无味，实验现象不能在学生面前充分展现，达不到教师预期的教学效果；三是虽然做演示实验，但有的实验单一、乏味，学生不能从中体会到做实验的乐趣；四是有部分学生课余时间想到实验室做实验，但教师不支持等．

多年来，笔者热爱自己的工作，潜心钻研实验教学，培养了实验动手能力，结合新的教学理念和我校的实际情况，对现有的部分实验进行了优化，让课堂实验教学真正“鲜活”起来．做到巧用信息技术，转化难做实验.

在现行的实验教学中，教师经常会碰到一些实验比较难做，有时勉强做了也不容易成功．这就使得教师很难有做实验的积极性，有时甚至用多媒体技术替代实验了事．利用DIS实验技术，巧妙地重新设计实验，就可以把原来难做的转化为容易做的实验，使教学达到最优化．

1 化动为静解决局部难题

案例一：牛顿运动定律中的超重失重实验

1.1 特点

超重失重是在运动中的现象，运动停止，现象也停止．手提钢丝圈发生形变，用纸带来记忆；物体加速上升，在超重状态下，拉力变大，钢丝圈拉长，纸带拉断(“记忆”钢丝圈形变发生变化)，来说明超重；物体加速下降，在失重状态下，拉力变小，钢丝圈恢复原来状态，纸带拉断(“记忆”钢丝圈形变发生变化)，来说明失重；如图1所示，实验直观、简单、可见度大(上升阶段的超重和下降阶段的失重很容易做到)；但在上升阶段的失重和下降阶段的超重不容易体会，导致学生分析的难点，巧用DIS可以解决其问题．

图1 超重、失重演示实验

1.2 制作材料

φ3 mm钢丝1 000 mm，夹子4个，2 kg砝码，传动线，支架，滑轮，白纸．

1.3 制作方法

(1)截取φ3 mm钢丝1 000 mm，制作钢丝圈；用螺丝固定上下、左右夹子．

(2)将白纸剪成条形纸带．当钢丝圈发生形变时，能使固定在它上面的纸带拉断．

1.4 操作方法

(1)固定支架、滑轮、传动线．

(2)传动线的一侧固定钢丝圈，钢丝圈下挂上砝码(物体)．

(3)使钢丝圈不动，竖夹纸条；拉传动线，使钢丝圈匀速上升、下降、竖纸条正常．加速上升(超重)，竖纸条断．

(4)使钢丝圈不动，横夹纸条．拉传动线，使钢丝圈匀速上升、下降、横纸条正常．加速下降(失重)，横纸条断．

2 力学信号转成电信号解决“一闪即逝”不易观察的问题

案例二：机械振动中的简谐运动的叠加图线

传统实验：简谐运动的叠加非常抽象而且不便于实验演示，对学生的空间想象能力要求较高．

优化设计：将单摆摆球摆动过程中位移变化(铜丝位置)转化为电压变化，通过电压传感器由电脑屏幕直观描述．当摆球运动时，摆球在平衡位置之间的电压变化，对应摆球位移的变化，故所测量的电压变化曲线即可看作对摆球位移的直观描述．可演示研究简谐运动的叠加图线、简谐运动的相位图线等．

2.1 特点

本作品符合新课程实验理念，所示实验内容符合科学原理．本实验材料制作简单、取材容易，一般DIS实验室均能开展．

2.2 用途

(1)研究简谐运动的叠加图线；

(2)简谐运动的相位图线．

2.3 制作材料

上木板50 mm×250 mm，下木板200 mm×250 mm，φ10 mm钢筋1 000 mm，φ4 mm铁丝一段，橡胶塞2个，细漆包线1卷，φ20 mm钢球2个，电压为3 V的小电池盒2个，φ6 mm铜棒一段，水槽100 mm×140 mm2个，接线柱4个，导线一段．

2.4 制作方法及装置

(1)制作方法

上面板：取木板50 mm ×250 mm一块，在150 mm处打φ20 mm孔一个及250 mm处打φ20 mm孔二个．

下面板：取木板200 mm ×250 mm一块，固定水槽2套．

支架：上面板和下面板用φ10钢筋长1 000 mm，上下用螺丝固定．

移动杆：用φ4 mm铁丝一段弯成φ20 mm园环，另一端固定可移动铁环上，测面用50 mm螺丝固定．

水槽：用塑料盒两测固定φ6 mm铜棒长50 mm，接3 V电池盒，对面中间再固定同样铜棒一根接接线柱固定在下面板上．

单摆：φ0.2 mm漆包线一端穿入橡胶塞(橡胶塞上端正中边上用刀割一点固定摆线，摆线长度可任调节)，另一端焊上细铜丝，塞进单摆球内，调节摆线，细铜丝能浸在水里，再用导线固定1和3接线柱上．

(2)装置如图2所示.

图2 简谐运动的叠加图线演示实验

2.5 操作方法

(1)简谐运动的叠加

1)将矿泉水瓶中的水倒入水槽，使单摆球摆动细铜丝尖端始终水面以下；

2)增加一套单摆装置设备，将3只电压传感器接入数据采集器的第一、二、三通道，单摆1接电压传感器1，单摆2接电压传感器2，第3只电压传感器与两单摆传感器并联；

3)打开“组合图线”窗口，添加3条图线：选取显示“时间-电压1”、“时间-电压2”与“时间-电压3”三条图线；

4)点击“开始”，让两单摆摆动，得两单摆摆动时波的叠加图像或两单摆反相摆动时波的叠加运动图线；

5)点击“停止”，选中图线一条，在图线控制中选取“只控制选择的图线”，将图线向下移动，实验显示效果非常好；

6)移动移动杆，改变某一单摆的摆长，同上得到实验结果，总结研究讨论．

(2)简谐运动的相位

1)将矿泉水瓶中的水倒入水槽，使单摆球摆动细铜丝尖端始终水面以下；

2)如图增加一只单摆，将两电压传感器接入数据采集器的第一、二通道，并分别与两只单摆连1,3接线柱上，另一端接线柱4；

3)打开“组合图线”窗口，添加两条图线：选取显示“时间-电压1”与“时间-电压2”；

4)点击“开始”，让两单摆摆动；发挥组合图线功能的优势，即可得到两单摆不同相位的摆动图线的组合结果；可演示两单摆同相摆动，也可两单摆反相摆动和两单摆其他相差摆动运动图线．

3 电压全过程监控解决了电容充、放电时间太短不易观察的问题

案例三：电容充、放电实验

传统实验电容储存电能用灵敏电流计演示，充电过程瞬时电流大(无负载电阻)，易损坏电表指针；放电过程时间短，不易观察．运用发光二极管，限流电阻，电容器容量搭配选择时间常数，发光二极管 (亮暗)在20～30 s之间；利用DIS实验电压传感器，可看到电容充、放电整个过程．

(1)装置如图3所示

图3 电容充、放电电路

3.1 仪器特点及用途

(1)特点.运用发光二极管，限流电阻，电容器容量搭配选择时间常数，在20 s之间；电压表指针或数字多用表电压逐渐变化，显示电容充、放电整个过程；取材容易、直观、稳定、实物投影可见度大，成功率100%．

(2)用途.本教具供中学电容充、放电教学.

3.2 制作材料及制作方法

电容器，电阻，发光二极管，开关，单刀双掷开关，电池及数字多用表等.

由三合板做支架，固定电容器，电阻，发光二极管，开关，单刀双掷开关，电池及数字多用表等.

3.3 使用方法

(1)当开关S打到1时，电容器开始充电，电容两端电压为零，充电电流最大(发光二极管发光最亮)，随着充电过程进行，电容器两端电压逐步上升，同时充电电流逐步减小(发光二极管发光逐渐变暗)，使电容两端电压上升，充电结果，整个充电过程20 s时间，解决教材中用灵敏电流计观察的难点，使短暂的充电过程时间适当延长．

(2)把S打到2时，电容开始放电，发光二极管发光最亮，随着放电过程进行，电容两端电压逐步下降与充电相反，同时放电电流逐步减小(发光二极管发光逐渐变暗)．

(3)增大电容，从复上述，发光二极管发光时间更长，电容储存电能更多,非常直观．

4 “点测量”转化“线测量” 解决了测力计读数时间短不具备连续性的问题

案例四：相互作用中的摩擦力实验

4.1 特点

(1)利用逆向思维方法，传统实验摩擦力中的木块运动变为接触平面的运动，改进了教材采用实验中木块速度不可控(靠人拉可能不匀速)，平面长度有限等；

(2)巧用DIS实验，解决了测力计读数时间短，不具备连续性，最大静摩擦力变化效果明显；

(3)传统实验普通测力计结构简单、形象直观，但仅适用静态而不适用动态测量，支持“点测量”而不支持“线测量”，同时缺乏过程监控能力．

4.2 制作材料

12 mm×80 mm的木板长2 m，200 mm×800 mm三合板1块，φ40 mm滑轮2个，φ30 mm塑料管360 mm，φ8 mm钢筋500 mm，小轴承2只，二次轮轴1套，12 V直流电动机1只，170 mm×1 200 mm传送带1条，木块2个，细线2根，50 g砝码1盒，砂纸1张，双面胶1卷，15 V变压器1只，1 A整流器1只，100 Ω电位器1只，开关1个，玩具小车1辆及DIS实验1套等．