農(nóng)村高中自制物理實驗教具的實踐與研究

鄭建文

(淳安縣汾口中學 浙江 杭州 311719)

高中物理實驗涉及物理學科的各領(lǐng)域，它既能使所學知識在實驗中加以體驗與應(yīng)用，又能幫助學生去探究新的知識，實驗已成為新課程改革中最為重要的環(huán)節(jié)．

現(xiàn)行的高中物理實驗教學中，存在著眾多的弊端：一是很多學校學生實驗沒按規(guī)定開足開齊，實驗沒有得到充分重視；二是許多教師不重視演示實驗，而是黑板上“講實驗”，學生往往感到枯燥無味，實驗現(xiàn)象不能在學生面前充分展現(xiàn)，達不到教師預(yù)期的教學效果；三是雖然做演示實驗，但有的實驗單一、乏味，學生不能從中體會到做實驗的樂趣；四是有部分學生課余時間想到實驗室做實驗，但教師不支持等．

多年來，筆者熱愛自己的工作，潛心鉆研實驗教學，培養(yǎng)了實驗動手能力，結(jié)合新的教學理念和我校的實際情況，對現(xiàn)有的部分實驗進行了優(yōu)化，讓課堂實驗教學真正“鮮活”起來．做到巧用信息技術(shù)，轉(zhuǎn)化難做實驗.

在現(xiàn)行的實驗教學中，教師經(jīng)常會碰到一些實驗比較難做，有時勉強做了也不容易成功．這就使得教師很難有做實驗的積極性，有時甚至用多媒體技術(shù)替代實驗了事．利用DIS實驗技術(shù)，巧妙地重新設(shè)計實驗，就可以把原來難做的轉(zhuǎn)化為容易做的實驗，使教學達到最優(yōu)化．

1 化動為靜解決局部難題

案例一：牛頓運動定律中的超重失重實驗

1.1 特點

超重失重是在運動中的現(xiàn)象，運動停止，現(xiàn)象也停止．手提鋼絲圈發(fā)生形變，用紙帶來記憶；物體加速上升，在超重狀態(tài)下，拉力變大，鋼絲圈拉長，紙帶拉斷(“記憶”鋼絲圈形變發(fā)生變化)，來說明超重；物體加速下降，在失重狀態(tài)下，拉力變小，鋼絲圈恢復(fù)原來狀態(tài)，紙帶拉斷(“記憶”鋼絲圈形變發(fā)生變化)，來說明失重；如圖1所示，實驗直觀、簡單、可見度大(上升階段的超重和下降階段的失重很容易做到)；但在上升階段的失重和下降階段的超重不容易體會，導(dǎo)致學生分析的難點，巧用DIS可以解決其問題．

圖1 超重、失重演示實驗

1.2 制作材料

φ3 mm鋼絲1 000 mm，夾子4個，2 kg砝碼，傳動線，支架，滑輪，白紙．

1.3 制作方法

(1)截取φ3 mm鋼絲1 000 mm，制作鋼絲圈；用螺絲固定上下、左右夾子．

(2)將白紙剪成條形紙帶．當鋼絲圈發(fā)生形變時，能使固定在它上面的紙帶拉斷．

1.4 操作方法

(1)固定支架、滑輪、傳動線．

(2)傳動線的一側(cè)固定鋼絲圈，鋼絲圈下掛上砝碼(物體)．

(3)使鋼絲圈不動，豎夾紙條；拉傳動線，使鋼絲圈勻速上升、下降、豎紙條正常．加速上升(超重)，豎紙條斷．

(4)使鋼絲圈不動，橫夾紙條．拉傳動線，使鋼絲圈勻速上升、下降、橫紙條正常．加速下降(失重)，橫紙條斷．

2 力學信號轉(zhuǎn)成電信號解決“一閃即逝”不易觀察的問題

案例二：機械振動中的簡諧運動的疊加圖線

傳統(tǒng)實驗：簡諧運動的疊加非常抽象而且不便于實驗演示，對學生的空間想象能力要求較高．

優(yōu)化設(shè)計：將單擺擺球擺動過程中位移變化(銅絲位置)轉(zhuǎn)化為電壓變化，通過電壓傳感器由電腦屏幕直觀描述．當擺球運動時，擺球在平衡位置之間的電壓變化，對應(yīng)擺球位移的變化，故所測量的電壓變化曲線即可看作對擺球位移的直觀描述．可演示研究簡諧運動的疊加圖線、簡諧運動的相位圖線等．

2.1 特點

本作品符合新課程實驗理念，所示實驗內(nèi)容符合科學原理．本實驗材料制作簡單、取材容易，一般DIS實驗室均能開展．

2.2 用途

(1)研究簡諧運動的疊加圖線；

(2)簡諧運動的相位圖線．

2.3 制作材料

上木板50 mm×250 mm，下木板200 mm×250 mm，φ10 mm鋼筋1 000 mm，φ4 mm鐵絲一段，橡膠塞2個，細漆包線1卷，φ20 mm鋼球2個 ，電壓為3 V的小電池盒2個，φ6 mm銅棒一段，水槽100 mm×140 mm2個，接線柱4個，導(dǎo)線一段．

2.4 制作方法及裝置

(1)制作方法

上面板：取木板50 mm ×250 mm一塊，在150 mm處打φ20 mm孔一個及250 mm處打φ20 mm孔二個．

下面板：取木板200 mm ×250 mm一塊，固定水槽2套．

支架：上面板和下面板用φ10鋼筋長1 000 mm，上下用螺絲固定．

移動桿：用φ4 mm鐵絲一段彎成φ20 mm園環(huán)，另一端固定可移動鐵環(huán)上，測面用50 mm螺絲固定．

水槽：用塑料盒兩測固定φ6 mm銅棒長50 mm，接3 V電池盒，對面中間再固定同樣銅棒一根接接線柱固定在下面板上．

單擺：φ0.2 mm漆包線一端穿入橡膠塞(橡膠塞上端正中邊上用刀割一點固定擺線，擺線長度可任調(diào)節(jié))，另一端焊上細銅絲，塞進單擺球內(nèi)，調(diào)節(jié)擺線，細銅絲能浸在水里，再用導(dǎo)線固定1和3接線柱上．

(2)裝置如圖2所示.

圖2 簡諧運動的疊加圖線演示實驗

2.5 操作方法

(1)簡諧運動的疊加

1)將礦泉水瓶中的水倒入水槽，使單擺球擺動細銅絲尖端始終水面以下；

2)增加一套單擺裝置設(shè)備，將3只電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二、三通道，單擺1接電壓傳感器1，單擺2接電壓傳感器2，第3只電壓傳感器與兩單擺傳感器并聯(lián)；

3)打開“組合圖線”窗口，添加3條圖線：選取顯示“時間-電壓1”、“時間-電壓2”與“時間-電壓3”三條圖線；

4)點擊“開始”，讓兩單擺擺動，得兩單擺擺動時波的疊加圖像或兩單擺反相擺動時波的疊加運動圖線；

5)點擊“停止”，選中圖線一條，在圖線控制中選取“只控制選擇的圖線”，將圖線向下移動，實驗顯示效果非常好；

6)移動移動桿，改變某一單擺的擺長，同上得到實驗結(jié)果，總結(jié)研究討論．

(2)簡諧運動的相位

1)將礦泉水瓶中的水倒入水槽，使單擺球擺動細銅絲尖端始終水面以下；

2)如圖增加一只單擺，將兩電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道，并分別與兩只單擺連1,3接線柱上，另一端接線柱4；

3)打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時間-電壓1”與“時間-電壓2”；

4)點擊“開始”，讓兩單擺擺動；發(fā)揮組合圖線功能的優(yōu)勢，即可得到兩單擺不同相位的擺動圖線的組合結(jié)果；可演示兩單擺同相擺動，也可兩單擺反相擺動和兩單擺其他相差擺動運動圖線．

3 電壓全過程監(jiān)控解決了電容充、放電時間太短不易觀察的問題

案例三：電容充、放電實驗

傳統(tǒng)實驗電容儲存電能用靈敏電流計演示，充電過程瞬時電流大(無負載電阻)，易損壞電表指針；放電過程時間短，不易觀察．運用發(fā)光二極管，限流電阻，電容器容量搭配選擇時間常數(shù)，發(fā)光二極管 (亮暗)在20～30 s之間；利用DIS實驗電壓傳感器，可看到電容充、放電整個過程．

(1)裝置如圖3所示

圖3 電容充、放電電路

3.1 儀器特點及用途

(1)特點.運用發(fā)光二極管，限流電阻，電容器容量搭配選擇時間常數(shù)，在20 s之間；電壓表指針或數(shù)字多用表電壓逐漸變化，顯示電容充、放電整個過程；取材容易、直觀、穩(wěn)定、實物投影可見度大，成功率100%．

(2)用途.本教具供中學電容充、放電教學.

3.2 制作材料及制作方法

電容器，電阻，發(fā)光二極管，開關(guān)，單刀雙擲開關(guān)，電池及數(shù)字多用表等.

由三合板做支架，固定電容器，電阻，發(fā)光二極管，開關(guān)，單刀雙擲開關(guān)，電池及數(shù)字多用表等.

3.3 使用方法

(1)當開關(guān)S打到1時，電容器開始充電，電容兩端電壓為零，充電電流最大(發(fā)光二極管發(fā)光最亮)，隨著充電過程進行，電容器兩端電壓逐步上升，同時充電電流逐步減小(發(fā)光二極管發(fā)光逐漸變暗)，使電容兩端電壓上升，充電結(jié)果，整個充電過程20 s時間，解決教材中用靈敏電流計觀察的難點，使短暫的充電過程時間適當延長．

(2)把S打到2時，電容開始放電，發(fā)光二極管發(fā)光最亮，隨著放電過程進行，電容兩端電壓逐步下降與充電相反，同時放電電流逐步減小(發(fā)光二極管發(fā)光逐漸變暗)．

(3)增大電容，從復(fù)上述，發(fā)光二極管發(fā)光時間更長，電容儲存電能更多,非常直觀．

4 “點測量”轉(zhuǎn)化“線測量” 解決了測力計讀數(shù)時間短不具備連續(xù)性的問題

案例四：相互作用中的摩擦力實驗

4.1 特點

(1)利用逆向思維方法，傳統(tǒng)實驗?zāi)Σ亮χ械哪緣K運動變?yōu)榻佑|平面的運動，改進了教材采用實驗中木塊速度不可控(靠人拉可能不勻速)，平面長度有限等；

(2)巧用DIS實驗，解決了測力計讀數(shù)時間短，不具備連續(xù)性，最大靜摩擦力變化效果明顯；

(3)傳統(tǒng)實驗普通測力計結(jié)構(gòu)簡單、形象直觀，但僅適用靜態(tài)而不適用動態(tài)測量，支持“點測量”而不支持“線測量”，同時缺乏過程監(jiān)控能力．

4.2 制作材料

12 mm×80 mm的木板長2 m，200 mm×800 mm三合板1塊，φ40 mm滑輪2個，φ30 mm塑料管360 mm，φ8 mm鋼筋500 mm，小軸承2只，二次輪軸1套，12 V直流電動機1只，170 mm×1 200 mm傳送帶1條，木塊2個，細線2根，50 g砝碼1盒，砂紙1張，雙面膠1卷，15 V變壓器1只，1 A整流器1只，100 Ω電位器1只，開關(guān)1個，玩具小車1輛及DIS實驗1套等．

4.3 制作方法(教具裝置如圖4)

圖4 摩擦力實驗

支架：木板做成200 mm×800 mm矩形木框，木框上釘上三合板．

驅(qū)動輪：兩側(cè)用φ40 mm滑輪中間取直徑φ30 mm塑料管180 mm長，然后將φ8 mm鋼筋用螺絲固定，傳送帶轉(zhuǎn)動不跑偏．

傳動軸：取直徑φ30 mm塑料管180 mm長，管內(nèi)兩端嵌入軸承，然后將φ0.8 cm鋼筋用螺絲固定．

變速器：12 V電動機用二次輪軸轉(zhuǎn)換，使驅(qū)動輪勻速運動；調(diào)節(jié)電位器，傳動帶轉(zhuǎn)速變化．

傳送帶：皮帶或皮革．

電源：將變壓器、整流器、電位器、開關(guān)固定三合板底板及面板組成12 V自制電源或低壓電源．

面板：將適當大小三合板固定電位器、開關(guān)及力傳感器固定桿，固定在支架上．

4.4 使用方法

(1)最大靜摩擦力

力傳感器固定在固定桿上，接好細線、木塊放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計算機選擇示波顯示方式；

開關(guān)閉合，使皮帶運動，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論(最大靜摩擦力顯示非常直觀)．

(2)摩擦力跟速度大小的關(guān)系

力傳感器固定在固定桿上，接好細線、木塊放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計算機選擇示波顯示方式；

開關(guān)閉合，使皮帶運動，觀察屏幕圖線；

調(diào)節(jié)電位器，改變皮帶的運動速度，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(3)摩擦力跟壓力的關(guān)系

兩個力傳感器固定在固定桿上，接好細線、質(zhì)量相同木塊分別放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器第一、二通道，打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時間-力1”與“時間-力2”二條圖線；

開關(guān)閉合，使皮帶運動，觀察屏幕圖線；

同上述，將其中一塊木塊加上50 g砝碼，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(4)摩擦力跟接觸面的粗糙程度的關(guān)系

兩個力傳感器固定在固定桿上，接好細線、質(zhì)量相同兩個木塊分別放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器第一、二通道，打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時間-力1”與“時間-力2”二條圖線；

開關(guān)閉合，使皮帶運動，觀察屏幕圖線；

同上述，準備兩塊與木塊底面積相同沙紙，將其中一塊木塊底粘上砂紙，另一塊木塊上面粘上砂紙(質(zhì)量相同)，接觸面積相同，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(5)滾動摩擦力跟滑動摩擦力的比較

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計算機選擇示波顯示方式；

力傳感器固定在固定桿上，接好細線，將玩具小車放在運動的皮帶上，觀察屏幕圖線；

將玩具小車的輪子卡住，使其在皮帶上滑動，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．