創新中學物理演示實驗的幾點探索

馬建玲

(泰山學院物理與電子工程學院，山東泰安 271021)

演示實驗一般是配合教學進行的，基本要求之一是確保成功.但在許多情況下，演示實驗不是費時太多，就是效果不明顯，或實驗誤差太大，以致難以成功，造成整節課的失敗.決定一個演示實驗成功有效與否的因素是多方面的，但從實驗裝置結構方面去分析，造成演示效果不好的可能有:一是為實驗提供能源或動力作用的部分可能欠佳或運用不當，如熱源放熱不均勻，電源內阻過大，平行光源不平行，亮度太弱等;二是實驗中觀察研究的對象不能顯示，如光路顯示模糊不清，以致學生觀察不到應有的物理現象;三是實驗現象顯示器失靈或變化幅度太小;四是連接上述三部分用以調控實驗條件的器材不靈敏，實驗條件不滿足.下面從上述四個方面來舉例說明我們改進演示實驗，提高其有效性的一些做法.

1 對實驗動力源進行改進

實驗動力源是為實驗提供能源或動力作用的部分，如電源、熱源、光源、引力或人的手等.如:人教版初中《物理》八年級下冊中，這樣做“電流的磁效應”實驗［1］:在磁針的上面有一條直導線，當直導線觸接電池通電時，你能看到什么現象?改變電流的方向，又能看到什么現象?在這個實驗中電池為實驗動力源，磁針為實驗的對象又為實驗的顯示器，直導線觸接電池，從而產生大電流為實驗條件，但電源短接不但會引起學生的疑惑，而且不宜多次重復，對此可作如下改進:用多個電容并聯組成一個10000uF16V的電解電容，制作一個如圖1所示的大容量電容器放電裝置，代替干電池，利用電容器放電的瞬時大電流用為實驗動力源.這樣改進后有以下優點:(1)操作方便簡單，可多次充電反復實驗，并且這個裝置還可用于電流間相互作用等實驗;(2)學生容易接受.再如做系列光學實驗時，如用普通光源，往往導致光亮度不高，現象不明顯，或者實驗手續復雜.如果換用價格便宜的激光筆，則效果很顯著.如觀察水的折射，將激光筆眼沿空玻璃杯的杯口一側射向杯底的另一側，記住射在杯底的位置，然后倒水，隨著水位變高，射入杯底的位置不斷變化，空氣和水的分界面上清晰可見光線的偏折;觀察三棱鏡和玻璃磚對光的折射.三棱鏡的全反射、折射光路，是教學中的難點，而換用激光筆就很方便的顯示了光路.

2 對實驗對象進行改進

實驗的對象，指實驗中觀察研究的對象，如小車、鋼球、液體、氣體、通電線圈、磁感線等.演示實驗無論是設計新實驗，還是改進舊實驗，都應該使實驗對象表現出明顯的物理現象，且能更有效地向學生提供感性材料，使之更有益于教學中學生對物理知識的掌握和促進學生學習能力的發展.而九年級物理人教版第129頁演示2:大口玻璃瓶內有一些水，水的上方有水蒸氣.給瓶內打氣，當瓶塞跳擊時，觀察瓶內的變化.按課本實驗設計，本實驗瓶內的水蒸氣為實驗對象，當瓶塞跳擊時，瓶內應出現白霧，然而實驗現象并非如此，它的致命弱點是瓶塞跳起時，瓶內出現的白霧不明顯，有時學生根本看不見.出現此種現象的原因是由于瓶塞和瓶口的摩擦不大，瓶內氣壓不會太大;瓶內水的蒸發量不夠，水蒸氣不多，又難以液化;再加上周圍氣溫較高，所以，出現的白霧很少，實驗現象很不明顯.針對實驗弱點，我們改進的措施是:在瓶內注入幾滴酒精，再就是選用一個膠塞做瓶塞，以增加摩擦力，用氣筒向瓶內打氣，打到一定程度，瓶塞跳出，由于酒精蒸氣容易液化，在瓶內和瓶口處出現大量“白霧”，現象非常明顯，學生非常驚訝，可以收到意想不到的效果.

圖1 電容器充放電裝置

圖2 三維磁感線形狀演示

再如，演示磁鐵與電流的磁感線，一般都是局限在平面內，使學生對磁感線的形狀缺乏整體的印象.美國《物理教師》雜志上曾介紹一種演示三維空間磁感線的形狀的方法［2］，材料是小圓柱形磁鐵、試管、軟木塞、玻璃瓶、鐵粉，按如圖裝配好，晃動瓶子，就能在試管周圍形成三維空間的磁感線形狀，如圖2示.這一演示有利于學生正確認識和掌握磁場的有關概念和規律.

3 對實驗現象顯示器進行改進

實驗現象顯示器，是指顯示實驗現象的裝置，如各種測量儀表、刻度、投影、聲光元件等.這些裝置的選擇會直接影響實驗的成敗，同一個實驗、同一種方法選用不同的器材，實驗效果將有很大不同.如通常用演示實驗來解釋和說明電磁感應現象，所用儀器為電流表、線圈、導線和磁棒，實驗裝置如圖3所示.我們知道當磁場變化時會引起線圈中產生電流，或者線圈相對磁體運動時會產生電流.這兩種方式都能使穿過閉合線圈的磁通量發生變化，電流表作為顯示器用于指示線圈中會有電流產生，從而發生電磁感應現象.在滿足發生電磁感應現象的條件下，我們可以將其實驗裝置進行改進，使演示效果更直觀形象，同時實驗裝置更簡單方便.可以用發光二極管來代替電流表，把兩個發光顏色不同的發光二極管反向并聯后接到線路中，與線圈構成閉合通路，當插入線圈中的磁棒向上或向下運動時，總會有一個發光二極管亮、一個發光二極管不亮的現象產生，這就表明在通路中有電流通過，此電流就是電磁感應現象而產生的感應電流.

內能做功的實驗:教材中實驗是用軟木塞將裝水試管口密封，用酒精燈對水加熱至沸騰.當管內水蒸氣壓強足夠時，“砰”的一聲水蒸氣將軟木塞沖出，說明利用內能可以對軟木塞做功.此實驗有兩點不足:一是軟木塞沖出時，也有高溫水蒸氣噴出.實驗時，盡管管口不朝向學生，由于水蒸氣飛濺，對前排學生可能造成事故或驚嚇.二是內能做功只表現在軟木塞沖出的一瞬間，時間短，不便于學生邊觀察，邊思考和教師邊演示，邊講解.改進后的實驗裝置如圖4所示.改進方法:在軟木塞中插入一根細玻璃管，用橡皮管套上與針筒連著，用酒精燈燒水至開，產生蒸氣推動活塞上升做功，學生看得清楚，更覺有趣而驚喜，從而說明利用內能可以推動活塞上升做功.這種改進后實驗的優點是:用醫用注射器代替了軟木塞，既安全又有趣，演示實驗時間較長，效果較好.但實驗時，宜先將針筒浸入熱水中預熱，且注意選用針筒較長的大號注射器，以防止活塞從針筒中脫出而損壞.

圖4 內能做功實驗的改進

圖3 電磁感應現象演示裝置

微小形變實驗:這個實驗的關鍵是如何讓這個微小的形變顯示到足以使學生能明示的程度.解決的辦法顯然只能設法放大，放大的方法有很多如用力學的方法、電學的方法、電子學的方法、光學的方法等［3］，但是最簡單的方法還是利用杠桿原理，進行杠桿放大的方法.根據這一思想，設計如圖5所示的實驗裝置.用激光槍做微小形變的實驗，用夾子夾住激光槍，桌上置兩平面鏡，調整角度使光線經兩次反射后照于天花板.當用力壓桌面時，桌子發生微小形變，由于平面鏡的光杠桿作用，對形變進行了兩次放大，而天花板對光線而言則是一個斜面，所以又進行了一次放大，演示效果相當顯著.

4 對用以調控實驗條件的器材進行改進

調控輔助裝置是聯接上述三部分用以調控實驗條件的器材.人教版初中物理九年級關于“摩擦力”的教學，本節課要探究摩擦力大小與什么因素有關，用彈簧測力計勻速拉動木塊，使它沿長木板滑動，由二力平衡條件可知，彈簧測力計的讀數即為摩擦力大小.這個實驗中手為實驗動力源又起著調控裝置的作用，以滿足勻速拉動木塊這個實驗條件.但由于木塊和木板之間凹凸程度不同，接觸面之間阻礙作用時大時小，木塊難以實現勻速滑動，測力計的讀數會忽大忽小，讀數困難或不準確.改進方法:教學中將木塊用棉布包好，增加了棉布和木板間的柔韌性，木塊可以在長木板上做比較準確的勻速直線運動，且可以不用長木板，學生利用課桌表面進行探究性研究，木塊運動平穩，讀數準確，實驗效果很好.

阿基米德原理演示實驗，用以探究浮力的大小等于什么.這個實驗成功的關鍵是杯中溢出的水必須完全從杯口豎直流入小桶中，從而準確地測出物體排開液體的重力，才能得到F浮=G排的實驗結論.然而由于溢水杯在剛開始溢水和快結束時，因水流很小，水總是從杯口沿杯壁溢出桶外，沿著杯壁流到了桌子上，不能滿足實驗條件，所以測出的G排總是小于實際的G排，從而導致每次實驗誤差太大，很難準確地得出實驗結論.為解決此問題，可以用一細線拴住一重物，重物放入溢水杯(因細線太輕，不用重物細線會與水一起流走)，細線伸出杯口，實驗時，把細線放入桶內如圖6示.改進的實驗有兩個優點:第一，無論水流多小，水總是沿細線流入桶內;第二，利用這種溢水方法，能使物體排開的液體完全溢出，而不會因其他原因，導致每次實驗溢水情況不一樣，引起過大的實驗誤差，利用此方法測量G排，實驗誤差大大減小，實驗結論更準確、更可靠，教學效果極佳.

圖5 微小形變實驗改進

圖6 用溢水杯探究浮力大小實驗

總之，演示實驗是創新物理教學的有效載體，怎樣確保演示實驗成功有效，讓學生在演示實驗中學到知識，感受到物理的魅力，這是設計、改進演示實驗一個永恒的主題.

［1］課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.義務教育課程標準實驗教科書物理(初中)［M］.北京:人民教育出版社，2006.

［2］朱鐵成.物理教育研究［M］.杭州:浙江大學出版社，2002.

［3］陶洪.物理實驗論［M］.南寧:廣西教育出版社，1999.