自制教具在中學物理實驗教學中的優勢

金生華　李志方

物理是一門以實驗為基礎的學科，學生通過對實驗的操作或者是教師通過實驗演示，可以幫助學生理解物理現象，揭示物理本質規律。然而，由于新課程的實施，一些必要的實驗器材尚未到位，現有的實驗器材又不能滿足中學物理實驗教學的需要，導致許多實驗無法進行，或實驗效果不佳、不明顯。鑒于此，筆者認為提倡教師積極開展物理自制教具的制作，彌補實驗儀器的不足，二者優勢互補，能較好地完成教學任務。

中學物理涉及力、電、光、熱等眾多領域，其物理規律精簡扼要，現象繽紛絢麗，是一門令學生頗感興趣的學科。然而很多學生在學了物理后感到物理生澀難懂。造成這一結果的原因有很多，其中與實驗有關的原因有二。其一，由于缺乏必要的實驗演示器材，教師在傳授相關內容時，只能在黑板上講講畫畫，在“黑板上做實驗”。可以想象，一個沒有親身去參與的“實驗”，學生怎能有感性認識？怎能去開拓思維？怎能明悟規律？其二，隨著經濟的發展，學校實驗教學儀器數量、質量都在提升，但從總體上說，仍不能滿足教學的要求。有的實驗器材數量仍然較少，學生少有機會去“摸一摸”；或者實驗器材性能不佳，導致實驗效果不明顯。那么，怎樣來改善這一境況呢？筆者認為，積極開展物理自制教具的研究和制作，能有效地實現教學目的。一些好的自制教具的實驗效果比傳統實驗的效果要好，有些甚至有可能會成為以后實驗器材改進的先導。如何開展物理自制教具的制作，是教師面臨的一個新問題。筆者結合自己多年的摸索和實踐，談一些體會。

物理自制教具應遵循的一般原則

首先，自制教具應選材容易，價格低廉。對易找到的器材，學生對其感性認識也往往要強一些。而低廉的價格便于大批量制作，易于普及。其次，教具結構要盡量簡單，原理要直觀明了，既可揭示物理本質，又便于學生接受。再者，實驗現象要明顯，能極大地引起學生的注意，激發學生的求知欲，提高教學效率。

物理自制教具的素材來源

源于生活中的自然現象生活中有一些自然現象，如雷電，總是令學生神往而又不可企及。這一現象在教材中解釋得很少，學生雖然有實際的生活經歷，卻總感覺有些遙遠。為此，筆者設計一個名為“模擬雷電現象和避雷針原理”的裝置（圖1），成功地模擬了雷電現象，幫助學生理解雷電現象的實質，更重要的是對學生進行了一場很好的安全教育，將教學價值充分地體現出來。

1）器材及制作。①取木板一塊，其上固定一豎直木架，在木架上距離木板10 ㎝和15 ㎝處，左右對稱各鉆2小孔。②取2塊表面平整的金屬圓板，一塊固定在木板上，模擬大地；另一塊固定在一薄木片上，并架在木架上，模擬帶電云層。③取“啟蒙玩具”中的一塑料樹、一幢房、一個人，另外準備2個氖管。將一個氖管兩端焊接一定長度的導線，導線另一端各拴一金屬片。將氖管置于塑料房中，兩導線拉出房外，一端金屬片放在房下，另一端金屬片放在房上，并用透明膠固定。再將另一個氖管兩端焊接一定長度的導線，其中一導線另一端拴一金屬片，還有一導線空置。將塑料樹、人及氖管固定，氖管置于人胸前，再將空置端導線繞于“樹枝”上。④取一細長鐵絲，一端磨尖，另一端固定于一金屬塊上，制成一避雷針。⑤靜電高壓感應圈一個。

2）實驗操作。①將金屬圓板架于支架上，靜電高壓感應圈與2塊金屬板相連，打開靜電高壓感應圈開關，只見在兩板間“電閃雷鳴”，形象地模擬打雷現象。②切斷電源，將“玩具房子”放入兩金屬板間，再打開開關，只見房頂與“烏云”（即上板）間發生強烈的放電現象，“房子”被“雷擊”。學生可以清楚地看到里面的氖管發出耀眼的紅光。③將“玩具樹”和“人”放入兩金屬板間，再打開開關，只見樹頂與“烏云”（即上板）間發生強烈的放電現象，“樹”被雷擊，可清楚地看到氖管發出耀眼的紅光。說明“樹”下避雨易遭受雷擊，故下雨時不可在大樹下避雨。④再將玩具房子放入兩金屬板間，并同時放入連同避雷針的防護金屬網。再打開開關，只見避雷針與“烏云”（即上板）間發生強烈的放電現象，但玩具房子與上板之間不再發生放電現象，可以清楚地看到里面的氖管也不再發出紅光，說明避雷網能保護房子里面的人和物，使人和物“幸免于難”。這就是高大的房子屋頂要架設金屬網并接避雷針以防雷擊的原因。

3）實驗特點：取材容易，現象生動，操控性和趣味性強。

源自課外習題在物理習題中，有些是關于物理實驗的情景描述，學生對這些陌生的情景總是感覺無從著手。這時教師可以以此為材料，制作相應的實驗器材，幫助學生克服認知困難。

例 如圖2所示，把一個可繞水平軸轉動的鋁盤放在蹄形磁鐵之間，盤的下邊浸沒在水銀槽中，將轉軸和水銀用導線直接接到電源的兩極上，則（ ）

A.由于磁場對電流的作用，鋁盤將做逆時針轉動

B.由于磁場對電流的作用，鋁盤將做順時針轉動

C.將電源兩極對調，鋁盤的轉動方向不會改變

D.將蹄形磁鐵的磁極對調，鋁盤的轉動方向不會改變

此問題的難點是：放入磁鐵間的不是一根金屬棒，而是一個圓盤，從一根棒到一個金屬盤面，學生就陷入困惑中。于是先“克隆”一個裝置演示給學生看，得到非常好的演示效果，再幫助學生進行相關的理論分析，學生就比較容易接受。在此基礎上將圓盤改為導電液體，制成一個名為“旋轉的液體”的裝置（圖3）。當學生看到盤中水快速轉動起來時，他們會很興奮。問其原理，學生由于有先前的知識儲備，就非常輕松地說出其中的原由。通過該裝置，教師可以讓學生感悟“形異質同”的效果，使學生的知識得到有效的延伸。而且該裝置也可作發電機模型，在以后的教學中加以應用。

實驗特點：實驗取材容易，現象明顯，并能一儀多用。

源于教材教學內容和閱讀材料教材中有些知識離學生的生活是有一定距離的，比如很少發生的或者發生時學生看不見、摸不著的現象，學生在理解時就會感到很抽象。這時，如果有一個好的自制教具，就可以幫助學生經歷一個感性認識過程，教學的難點自然也就解開了。如“用旋轉發聲音叉演示聲波干涉現象”的實驗，筆者發現實驗效果不佳，于是參考其他教師設計的“聲波干涉、聲速測量儀”，并適當修改，在實驗時取得明顯的實驗效果。學生還利用該儀器較精確地測量出聲波在空氣中傳播的速度。

1）器材制作及實驗原理（如圖4所示）。①相干聲源的產生。利用電腦輸出頻率已知的正弦音頻信號，形成S1、S2相干聲源。②選用管徑為φ25、φ20的PVC管，其中φ25管做套管，φ20管做插管。將管固定在的木板上，做成示教板（圖5）。③S1、S2為壓電陶瓷喇叭，喇叭裝在橡皮塞內孔里，用橡皮塞封閉管道。④用電腦作信號發生器，在（20～20 000）Hz范圍內輸出連續可調的“正弦波”。⑤干涉、測量聲速原理：用封閉的管道控制相干聲源發出聲波的傳播路徑。如圖6所示，S1、S2發出聲波沿不同的路徑傳播到P點（管道上開孔處）疊加輸出，當波程差Δ=S1P-S2P滿足：Δ=kλ，干涉加強（聲音強）；Δ=（2k+1）λ/2，干涉減弱（聲音弱）（k為整數）。

在本實驗中，波程S1P固定，改變波程S2P（即調節U形插管在套管中的插入深度），即可改變波程差Δ，從而改變P點發聲的強度。若插管移動λ/2，波程差Δ就改變λ，故在移動插管時，若P點發聲強度由最強變化到再次最強，插管移動的距離就是λ/2，這樣就可以測出聲波的波長。因信號發生器的輸出頻率是已知的，故根據波速公式V=fλ，就可以測出聲波在空氣中傳播速度。

2）實驗步驟。①將電腦信號發生器和示教板功放連接好，接通示教板功放的電源。②調節信號發生器使之輸出頻率為2 000 Hz左右正弦音頻信號，記下聲音的頻率f，適當調節S1、S2的音量。③緩慢移動插管，即可聽到聲音強弱交替變化的干涉現象。④在將插管緩慢抽出的過程中，觀察插管對應在刻度尺上的位置。先記下某次聲音最強時位置，再記下緩慢移動聽到第N次聲音最強時插管位置，則插管移動的距離為N×λ/2，這樣就可以較準確地求出聲音的波長λ。⑤根據波速公式V=fλ，求出聲波在空氣中傳播速度。

3）實驗特點：演示聲波干涉現象，操作簡便，效果顯著，誤差很小，精確度高。

源于對原有實驗器材或實驗方法的改進隨著科學技術的發展，以傳感器和微機為基礎的數字化實驗系統開創出全新的物理實驗教學模式。在教學中引入傳感器和計算機，不僅有助于學生對復雜系統的理解，而且可以利用系統自動采集和處理數據，使學生有更多的時間用于理解物理實驗的原理和本質，所以教師在指導學生完成教材所規定的實驗時，應有意識地將學生的視野帶入到科技前沿，讓學生能夠接觸并了解這些新技術的原理及應用前景。這對培養學生與時俱進的優秀品質，對社會的發展進步有著非常重要的意義。

例如在傳統實驗“測量物體速度”中，就是采用紙帶和打點記時器，經過直尺測量，計算得出結果。但是該過程數據采集緩慢，處理繁瑣，占用大量時間，而且實驗誤差較大。如果引入速度傳感器，就可以更快、更準確地得到實驗數據，把更多的精力集中在對物理過程的分析和研究上。利用計算機的即時繪圖軟件，可以在采集數據的同時把需要的物理圖線繪制出來，極大地提高物理實驗的效率。

圖7、圖8是一種運動傳感器的原理圖。這個系統由A、B兩個小盒子組成，A盒裝有紅外線發射器和超聲波發射器，B盒裝有紅外線接收器和超聲波接收器，A盒固定在被測的運動物體上。測量時A向B同時發射一個紅外線脈沖和一個超聲波脈沖（即持續時間很短的一束紅外線和一束超聲波），B盒接收到紅外線脈沖時，開始計時，收到超聲波脈沖時計時停止。根據兩者的時差Δt和空氣中的聲速v，計算機就可以計算出A、B的距離（紅外線的傳播時間可以忽略）。經過短暫的時間Δt后，傳感器和計算機系統自動進行第二次測量，得到物體的新位置。算出2個位置差，即物體運動的位移Δx，系統按照v=Δx/Δt算出速度，顯示在熒光屏上。所有這些操作都可在不到1秒的時間內自動完成。在采集到所需要的速度數據后，可以借助軟件（如Excel）即時得到v-t圖象（圖9）。

實驗特點：傳感器的引入使得實驗數據的采集和處理變得快速、高效，同時也使學生開拓視野。

總結

自制教具由于取材容易，價格低廉，易于普及、原理直觀等特點，使其在中學物理教學中有著廣闊的應用空間。它的使用極大地擴展了教學的實驗內容，提升了物理教學的廣度和深度，給予學生更大的學習空間，從更深層次上激發他們的想象力、創造力，為中學物理教學添上嶄新的一筆。

（作者單位：1 浙江省安吉縣高級中學；2 浙江省安吉縣教育裝備中心）