吴正飞

【摘要】高中物理实验是高中物理教学的重要组成部分，能够将抽象的物理知识直观地展示给学生，帮助学生更好地理解物理原理，体会物理规律，让学生更好地掌握物理相关知识.实验器材作为物理实验的基础，直接影响物理实验的效果，创新改造实验器材能够有效提升整个物理实验的效果，能够更好地为物理课堂教学服务.

【关键词】高中物理；实验教学；实验改进

高中物理是以实验为基础，通过实验总结物理规律的学科.在高中物理教学中，借助物理实验，能够将抽象的物理知识直观地展示给学生，帮助学生更好地理解物理知识.同时，学生在物理实验操作过程中，能够提升物理知识的应用能力和自主探究能力.在理论教学中很难达到此效果，教材中设计的物理实验很多并不能充分发挥物理实验在教学中的重要作用，需要做进一步的改进，使其符合物理教学的需求.

1 高中物理实验存在的不足

随着新课程改革的实施，物理学科教学也做出了一定的调整，更加重视现代知识与物理理论的结合，部分地区也鼓励学校对原有的实验器材加以创新改进，以便更好地培养学生的实验创新实践能力.对于《普通高中物理课程标准（2017版）》对物理实验教学的要求，部分地区和学校难以达到标准，实验开展率较低、效果不理想、实验器材老旧落后是在高中物理实验教学中较为常见的问题［1］.

对现有高中物理实验器材加以改进，对传统仪器作进一步升级和改造，是众多一线物理教师需要研究的重要问题.

2 高中物理实验改进要求与途径

物理实验的创新改进不是随性而为的，而是要符合物理学科的要求.

首先，要具有科学性，设计思想要突出物理原理，能够更好地演示物理事实，正确地反应物理规律，客观地展示物理现象，准确地揭示其中的本质［2］.另外，设计的实验器材要符合学生的认知特点.

其次，实验器材的设计要具有实用性，教师可以利用生活中较为常见的生活用品来改造实验器材，设计的器材要能够长期使用，具有较好的保存性.最后，改进和设计物理实验器材要遵循安全性的原则，设计的实验器材要牢固耐用，避免出现危害使用者身体的危险情况发生.

教师在日常教学中，对于物理实验器材的改进可以通过以下几个途径来实现：第一，根据教学需要设计仪器.在高中物理实验教学中教师经常会碰到这样的情况，可能会找不到合适的简易实验仪器.此时，就需要教师根据教学需求和自身的知识储备，来根据原有的相似仪器进行改制，从而达到辅助教学的目的.第二，改造原有的实验仪器.在实验中会有些仪器实验效果不够明显，或者实验原理不够突出，达不到想要的实验效果，此时就需要针对仪器存在的不足之处加以改进，使其能够发挥出物理实验的最大作用.第三，对于专业水平较高的教师，可以围绕教学需求设计新的实验，提升课堂教学效果.

3 高中物理实验改进案例分析

现以“验电器”的改造设计为例，从原有仪器的不足、仪器改造设计思路、仪器改进效果等方面进行分析.

3.1 原有实验分析

验电器是电学部分中的一个重要的仪器，它是检验物体是否带电的重要仪器.验电器是根据同种电荷相斥的原理制成的.它是将一对轻薄的金属箔片悬挂到金属支架上，当靠近带电物体时，金属箔片就会在静电感应的作用下带电，使箔片张开.其中，箔片张开的角度的大小就直观地反映出箔片所带电量的多少.

需要注意的是，无论是带正电还是负电，金属箔片都会张开，通过传统的验电器无法对其进行判断，进而也无法向学生讲解电荷分离和电荷流向的相关知识.

另外，悬挂金属箔片的传统验电器的灵敏性，依赖于金属箔片的安装工艺，会对实验的结果有一定的影响.很多教师为了提升金属箔片的灵敏度，会将其替换为更加轻薄的箔片，这样虽然增加了其灵敏度，但是受环境振动和气流的影响会变得更加明显，有悖于实验的严谨性.

在实验中，将摩擦起电的玻璃棒和橡胶棒接近验电器的实验，只能够验证它的带电特性，并不能够将丝绸或者皮毛上的异号电荷展示出来，以至于电荷运动导致电流的现象无法有效展示.

3.2 改进思路

为了能够克服传统验电器的不足，不少学者利用半导体电子元件改造了高灵敏验电器——电压探测器、电流探测器.电压探测器是通过测量带电物体周围的电势与地电势的差来确定带电物体的电性.电流探测性则是通过金属探头靠近带电物体，就会使得探头与验电器之间有极其微弱的电流流过，其本质上就是一个灵敏度极高的电流计.

新设计的验电器虽然更加灵敏，但是它们都是单个极性的，测量正电势的电压探测器不能够显示负电势，测量正向电流的的三极管探测器不能够测量负电势，教师在使用的时候，需要同时准备两种探测器，并且，这些探测器的摆放要求较高，不符合简单便捷的需求.

为了更好地为物理实验教学提供服务，教师将一对不同的探测器摆放到一起，并尽可能地将其灵敏度提升.首先，如果教师利用电压探测器来设计，其探测探头与远端接地之间的电势差不好控制，得到的实验结果可靠性不强，不符合严谨性的实验理念.因此，可以选择晶体三极管为主材料来设计验电器.该验电器使用两个10Ω的电阻、两个8mm（0.5W）的LED灯珠，具体设计如图1所示.

3.3 工作原理介绍

当带有正电荷的物体靠近探头时，图示上方探头A上的正电荷就会被排斥走，就会有微弱的电流经过T1，此时的T1、T2、T3就会起到一个放大器的作用，将原来极微小的电流进行放大，进而使得LED1发光.

同时，探头B也会有电流产生，但是因为T4的反向偏置作用，电流不能够发挥它的作用.如果带有负电荷的物体靠近，则工作原理同上.当带正电荷的物体远离探头时，LED2就会发光，当带有负电荷的物体远离探头时，LED1就會发光.为了更好地展示实验效果，在设计时，可以选择颜色不同的LED1和LED2两个灯泡.

3.4 设计与制作

在改良设计的验电器中，晶体管可以选择功率较小的NPN/PNP晶体三极管，起到放大作用的T1、T2和T4、T5放大倍数尽量选得高一些，限流的电阻至少要10MΩ.各元件之间的放置距离要分开，尽量不要将元器件直接放置在耐热性较差的亚克力材料上.可以通过钻孔的方式将元器件的脚固定住.各连接点连接以后，要用胶水或石蜡作进一步固定，验电器的金属探头选择两根粗为0.5mm，长为15cm的漆包線，并通过筷子支撑好.电池盒选择两组1.5V×4的电池组，具体成型如图2所示.

3.5 改造后实验仪器的应用

改造后的验电器灵敏度较之前的更高，不仅能够验证物体所带的电荷量，还能够辨别出物体所带的是正电荷还是负电荷.在新的课程标准中，要求在静电部分学习的内容中，不仅能够了解静电现象，通过多种途径让物体带电，并且能够观察、分析静电现象.

实验中，教师将通过摩擦起电的玻璃棒靠近验电器的金属探头，会看到LED1灯发光，当玻璃棒逐渐离开金属探头时，LED1灯就会熄灭，LED2灯就会发光.将玻璃棒来回在金属探头附近摆动时，LED1灯和LED2灯会交替闪烁.将毛皮摩擦过的橡胶棒重复以上操作时，就会发现相反的实验现象.

由于LED1灯和LED2灯选择的是不同的颜色，     能够更好地辨认出物体所带电荷的种类.

改造后的验电器具有更高的灵敏性，在摩擦起电的实验中，教师会告诉学生摩擦起电并不是凭空产生电荷，而是电荷分离的过程，当两个物体摩擦时，就会产生相反符号的电荷.在利用玻璃棒和丝绸摩擦后，将玻璃棒和丝绸分别靠近验电器，能够发现两种不同的电荷导致的不同现象，能够充分说明玻璃棒与丝绸上所带电荷不同.

研究摩擦起电的另一个重要任务就是需要探究摩擦起电的顺序，受传统验电器灵敏性的限制，教师很难通过实验的形式向学生直观地呈现起电顺序，教师借助改良后的继电器就可以完成对玻璃、橡胶、丝绸、布、皮毛、木材等材料的起电顺序，也可以以验证的方式来展示下列物品的带电情况，见表1.

4 结语

高中物理实验仪器的改进是实验改进的基础，是提高物理实验效果的重要保障.改良后的实验仪器，能够将传统实验条件下不能够在课堂上开展的一些实验落到实处，将这些抽象的知识内容形象具体化，帮助学生更好地理解这一部分知识.另一方面，通过不断地改进实验，能够促进教师自身素质的进一步提升，丰富学校物理实验资源，从而更好地为物理课堂实验教学服务.

参考文献：

［1］章常茂.指向学科核心素养的高中物理深度教学策略［J］.湖南中学物理，2021，36（12）：1-4+92.

［2］谷海跃，陈新华.促进高中物理深度学习的“问题链”策略研究——以“电表的改装”教学为例［J］.物理教学，2020，42（11）：25-28+3.

［3］李军润.改进与创新高中物理实验的有效途径［J］.中学物理教学参考，2020，49（27）：52-53.

［4］谢雨蒙.高中物理实验优化与创新实践［D］.重庆：西南大学，2020.

［5］杨年.高中物理教学培养学生实验能力分析［J］.文理导航（中旬），2022（10）：91-93.