對一例物理學生實驗的改進補充

何永健

(甘肅省永昌縣第一高級中學,甘肅永昌 737200)

在新編人教版高中《物理》(必修)教材第1冊中,“驗證機械能守恒定律”的學生實驗的裝置如圖1所示,從教材對此實驗設計的思路、步驟、過程等各方面考查:該實驗設計表面上看似乎完善精確,符合既定的實驗要求,但實際情況卻并非如此.由于教材編寫者并未完全熟悉所需儀器的性能,實驗裝置的漏洞較多,缺乏科學合理性,實驗的可操作性極差,甚至按照教材裝置無法進行實際的操作實驗,必須加以合理地改進完善,才能達到預期的實驗效果.

1 存在問題

(1)選用儀器的實際性能不符合實驗要求.從教材圖1所示明顯可以看出:在鐵架臺上固定打點計時器的鐵夾是燒瓶夾,即使換用電磁打點計時器所配附夾,由于附夾的長度較短具有容易轉動的特點,也是無法把它穩定地固定在鐵夾臺上.經嚴格地實驗測定電磁打點計時器所受的重力是2.7 N,電火花計時器所受的重力是2 N,而實驗時電磁打點計時器只能夾在燒瓶夾的平面部分,兩者的接觸面積較小,燒瓶夾對計時器所產生的相對壓力就難以穩定地固定打點計時器.按照兩種計時器的組成結構和其各部分的功能作用,燒瓶夾只能夾在其底座左下角的位置,這樣的燒瓶夾和偏下的固定位置,是根本無法夾緊打點計時器的.燒瓶夾所夾位置遠離了打點計時器的重心所在位置,存在著一定的轉動力矩,實驗時隨著振針不停地振動作用,打點計時器必然會產生向下轉動,甚至會掉在實驗臺上;若換用電火花計時器也存在同樣的問題,它沒有墨粉盒的一端厚度達4.2 cm,又遠遠超過了燒瓶夾所能夾的最大厚度3.5 cm,又如何夾得住?這樣的實驗裝置與儀器的實際結構、作用完全不一致,嚴重地影響了實驗的正常操作.

圖1

(2)所夾位置較大偏離了打點計時器的重心位置.教儀廠生產的電磁打點計時器(或電火花計時器)底座寬度只有7 cm,中間凸起,并安裝有電感線圈、磁鐵等其他配件,而打點計時器的重心位置約在其底座的幾何中心位置,底座周圍露出邊緣部分的寬度左右只有1.7 cm,上下約有1.7 cm,試管夾的寬度為2.6 cm,為了不影響實驗的正常操作,燒瓶夾只能選擇固定在打點計時器左下角的位置.固定位置極大地偏離了它的重心位置,燒瓶夾的寬度又遠遠超過打點計時器底座露在邊緣的寬度,選擇遠離其重心的固定位置、用來固定玻璃試管的固定器材,在實驗時打點計時器必然會發生向下轉動,又如何能起到牢固固定打點計時器、使打點計時器的位置在整個實驗過程中穩定保持不變,確保紙帶和打點計時器在同一個豎直平面內的作用呢?又如何保證在實驗中不損壞打點計時器呢?

2 改進方法

(1)將鐵夾臺放在實驗臺上,由鐵夾臺的底座面和所配的燒瓶夾共同固定打點計時器.如圖2所示,把打點計時器的底座豎直立起橫放在鐵夾臺的底座面上,使帶有接線柱的一側面緊貼鐵夾臺的底座面上,把鐵夾臺立柱上的垂直夾降低到合適的位置,用燒瓶夾夾住打點計時器的右上角,使其帶有限位孔的一端伸出臺面,兩個限位孔要上下對正,調整打點計時器的底座處于豎直狀態.由于打點計時器受到鐵夾臺的底座面向上的支持力和燒瓶夾的穩定的固定作用,打點計時器被牢固地固定在鐵夾臺的底座面上,完全符合此實驗的實驗要求.其他步驟跟教材的要求相同.這樣做,既能把打點計時器牢固地固定在鐵夾臺的底座面上,其底座與運動的紙帶保持在同一豎直平面內,同時,學生在實驗時也便于實際操作,符合儀器配件的實際結構及其作用,更重要的是培養了學生根據其具體實驗儀器靈活合理調整實驗方案的創新、合作精神,也避免了教師在教學時根據教材裝置因不便于實際操作出現的尷尬局面.同時,實驗時一方面要向學生強調說明教材做法不合理的原因,另一方面還要說明改進后的具體步驟,便于學生進行實驗,否則,就會引起學生思維地混亂,帶來不必要的麻煩!

(2)實驗時紙帶要舒展.一般中學實驗室使用的紙帶出廠時為了便于裝箱運輸,都是卷成圓形的盤在一起的紙帶卷,學生實驗時由于紙帶長期卷曲,直接放入打點計時器中摩擦力較大,而電磁打點計時器工作時受到的阻力要絕對小于2.49×10-2N,而且,打下的跡點也不清晰,因此,實驗前教師應要求學生把分發的紙帶用手多捋幾遍,使紙帶由卷曲變得自然平展,以減小實驗時的摩擦阻力,使打下的“跡點”更加清晰,也避免了紙帶上“拖點”現象的出現.同時,筆者也建議教儀廠生產紙帶時選用的材料紙不要過硬、過厚,應選用材料較薄、質地較軟、韌性較好的紙張,實驗效果會更加清晰明顯.

圖2

3 結束語

從上述對該實驗不足之處的分析探討中可看出:中學物理教材對各種實驗的編排、裝置設計應符合大多數中學物理室儀器實際的結構、性能,才能更有利于物理實驗教學,否則,只能是“紙上談兵”,造成實際實驗教學中的混亂與不便!同時,此例也說明教材編寫與物理實際實驗儀器確實存在脫節之處,教材的某些實驗設計滯后于實驗儀器的改進與發展趨勢,建議教材編寫人員在編寫物理實驗內容時,應多深入基層學校、教儀研制院所進行調研,了解收集各種儀器的使用及改進情況,使新編教材實驗內容的編寫與物理儀器的發展與時俱進,物理教材才更具有科學性和指導性,而現今進行的物理課程改革更應如此,安排設計的實驗要與實際生活貼近,要考慮大多數學校的儀器配備實際,才更能實現課程改革的理念意圖.而該實驗的改進方法,即克服了原實驗儀器使用中的不足,完全符合一般中學物理實驗儀器的實際結構,又具有操作方便、方法可靠的優點,經筆者多年的實驗教學檢驗證明此方法確實是有效可行的!