便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、制作及其應(yīng)用

王 翚

(河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

物理實(shí)驗(yàn)

便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、制作及其應(yīng)用

王 翚

(河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

本文以力學(xué)、振動(dòng)與波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等5部分中的15個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，說明如何開發(fā)、制作便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)裝置，并展示它們?cè)谡n堂教學(xué)中的應(yīng)用。這些物理演示實(shí)驗(yàn)取材于生活，制作簡單，易于攜帶，便于推廣；既能夠在課堂上現(xiàn)場展示，也可以讓學(xué)生自己動(dòng)手制作，部分實(shí)驗(yàn)還可以讓學(xué)生編寫程序?qū)ζ溥M(jìn)行模擬，從而滿足不同層次的教學(xué)需求。開發(fā)、制作能夠帶入課堂進(jìn)行展示的物理演示實(shí)驗(yàn)，既能有效地提升課堂教學(xué)效果，也能激發(fā)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

物理演示實(shí)驗(yàn)；便攜；物理教育

好奇心是學(xué)習(xí)的源動(dòng)力，快樂是學(xué)習(xí)的支撐點(diǎn)。教師需要從教學(xué)中尋找快樂，才能更深入地投入到教學(xué)中，并將快樂傳遞給學(xué)生，達(dá)到相得益彰、教學(xué)相長的效果。演示物理實(shí)驗(yàn)恰恰能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的效果。

物理演示實(shí)驗(yàn)以其直觀性、趣味性一直深受廣大師生的歡迎[1-3]。很多高校都建有演示物理實(shí)驗(yàn)室，對(duì)教學(xué)起到了良好的促進(jìn)作用；但部分儀器體積偏大，不易移動(dòng)，無法在理論課的課堂上進(jìn)行現(xiàn)場演示，因此教師只能退而求其次，在課堂上播放相應(yīng)的視頻資料。現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，學(xué)生可以搜索到大量的趣味物理實(shí)驗(yàn)視頻。如果教師還是僅僅在課堂上播放視頻資料，就很難激發(fā)起學(xué)生的興趣。如果能將演示物理實(shí)驗(yàn)帶入課堂，直接在學(xué)生們面前進(jìn)行展示，讓學(xué)生進(jìn)行參與、互動(dòng)，不僅能夠彌補(bǔ)以上缺陷，更能夠帶來直接的視覺、聽覺和觸覺感受，從而過目不忘。在這一過程中，學(xué)生得到了樂趣，增長了信心，掌握了知識(shí)，受到極大的鼓舞[4-6]。

我們使用生活中常見的物品對(duì)演示物理實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改良，使其小型化、便攜化、趣味化。我們從力學(xué)、振動(dòng)與波、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)[7]等5部分中選取了15個(gè)具有一定特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，以它們?yōu)槔f明如何根據(jù)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)，如何利用生活中常見的物品制作實(shí)驗(yàn)裝置，如何利用它們?cè)谡n堂教學(xué)中激發(fā)學(xué)生興趣、喚醒學(xué)生的求知欲、并讓學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)。

1 力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)

(1)

圖1 使用彈簧、鐵絲和磁鐵制作的“轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”演示實(shí)驗(yàn)改變鐵絲質(zhì)量分布，從而改變其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使得扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和豎直振動(dòng)發(fā)生共振

其中，kc表征耦合強(qiáng)度；z為振子沿豎直方向的位移；θ為振子的角位移。如圖1所示，在彈簧的底端吸附小磁鐵，并將鐵絲從磁鐵中穿過。通過改變磁鐵的個(gè)數(shù)，可以改變振子的質(zhì)量，通過改變鐵絲的質(zhì)量分布，可以改變振子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。質(zhì)量分布越靠近轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小。彎折鐵絲可以使扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率ω2增大，但振子總質(zhì)量不變，因此豎直方向的振動(dòng)頻率ω1不變。這說明在保持質(zhì)量不變的前提下，改變質(zhì)量分布，可以改變剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。通過調(diào)節(jié)鐵絲的質(zhì)量分布，改變磁鐵的個(gè)數(shù)，可以使得ω1與ω2非常接近。此時(shí)，豎直振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)發(fā)生共振，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅出現(xiàn)周期性的增大和減小。因此，利用同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，既能夠演示質(zhì)量對(duì)豎直振動(dòng)頻率ω1的影響，也可以演示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率ω2的作用，還能夠展示兩者之間的共振，有利于學(xué)生將熟知的質(zhì)量和陌生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行對(duì)比學(xué)習(xí)。

圖2 使用搟面杖、透明膠和繩子制作的“力矩方向”演示實(shí)驗(yàn)搟面杖放置在水平桌面上，拉動(dòng)繩子： (a) 搟面杖逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)； (b) 搟面杖不轉(zhuǎn)動(dòng)，向右平動(dòng)； (c) 搟面杖順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)； (d) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中O點(diǎn)為外側(cè)圓柱與地面接觸點(diǎn)

力矩的方向涉及兩個(gè)矢量的叉乘，是大學(xué)物理教學(xué)中的難點(diǎn)。開門和關(guān)門是生活中最常見的與力矩有關(guān)的現(xiàn)象之一：力矩的方向不同，門的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同。但是，開關(guān)門的現(xiàn)象太普通，難以激發(fā)起學(xué)生的好奇心。圖2是利用搟面杖、透明膠和繩子制作的演示實(shí)驗(yàn)裝置，可以非常生動(dòng)地展示力矩方向的重要性。將兩卷透明膠分別插入搟面杖的兩端，將繩子纏繞在搟面杖中間。兩卷透明膠與地面交點(diǎn)的連線相當(dāng)于“門軸”，搟面杖相當(dāng)于“門”，繩子的方向則相當(dāng)于“門的受力方向”。如圖2(a)、(b)、(c)所示，當(dāng)繩子豎直向上時(shí)，搟面杖逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)繩子的延長線通過瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸時(shí)，搟面杖只發(fā)生平動(dòng)；當(dāng)繩子與地面平行時(shí)，搟面杖順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2(d)為以上3種情況的示意圖，當(dāng)繩子的延長線通過外圈圓柱與地面接觸點(diǎn)O時(shí)，繩子的作用力對(duì)O點(diǎn)的力矩為零(灰色)；其他兩種情況下，繩子的作用力對(duì)O點(diǎn)的力矩方向相反(白色和黑色)。在課堂上演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，先向?qū)W生提問：如果拉動(dòng)繩子，搟面杖向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？學(xué)生們通常會(huì)認(rèn)為搟面杖只能向左或者向右運(yùn)動(dòng)。然后再向?qū)W生展示圖2中的3種狀態(tài)，從而引發(fā)學(xué)生思考，最終找出其中的物理原理。

圖3 利用撲克牌展示剛體的角動(dòng)量和進(jìn)動(dòng)

角動(dòng)量是剛體力學(xué)中非常重要的概念，有很多的應(yīng)用實(shí)例。子彈繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)是最常用的例子之一，但這個(gè)例子只能通過高速攝影機(jī)拍攝的視頻進(jìn)行展示，無法在課堂上進(jìn)行現(xiàn)場演示。使用撲克牌則可以彌補(bǔ)這一缺陷。如圖3所示，手持撲克牌的一角，快速轉(zhuǎn)動(dòng)手腕，將撲克牌拋出。如果撲克牌的角動(dòng)量方向與質(zhì)心的初速度方向垂直，則撲克牌可以飛出十幾米遠(yuǎn)。撲克牌在飛行過程中，如果速度方向不再與角動(dòng)量方向垂直，角動(dòng)量的方向則會(huì)繞速度方向旋轉(zhuǎn)，發(fā)生進(jìn)動(dòng)。子彈在飛行過程中，也伴隨著高速旋轉(zhuǎn)。但是子彈的初速度方向與其角動(dòng)量方向平行，而撲克牌的初速度方向與其角動(dòng)量垂直。除了用手來拋擲撲克牌，還可以使用彈弓來發(fā)射撲克牌，得到更大的角動(dòng)量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)既能展示角動(dòng)量對(duì)撲克牌飛行的穩(wěn)定作用，也能展示無自轉(zhuǎn)時(shí)撲克牌快速掉落的過程。兩者對(duì)比，效果非常明顯，比單純展示子彈的視頻更具有說服力。此實(shí)驗(yàn)具有很好的參與性，可以給每個(gè)學(xué)生發(fā)一張牌進(jìn)行練習(xí)，并進(jìn)行比賽，讓學(xué)生在其中體會(huì)到力矩和角動(dòng)量的特性。

2 振動(dòng)與波演示實(shí)驗(yàn)

下面以3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)為例，說明拍、一維駐波和二維駐波的特征。拍是由振動(dòng)方向相同、頻率相近、振幅相近的兩個(gè)振動(dòng)相互疊加形成的一種物理現(xiàn)象。關(guān)于這一現(xiàn)象最常見的例子是音叉。雖然音叉容易攜帶，可以在課堂上直接演示，但是離開課堂后學(xué)生通常無法接觸到音叉，也就無法重復(fù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。口琴則克服了這一困難。如圖4所示，單音口琴一共4個(gè)孔，可以發(fā)出8個(gè)音(吹、吸)，每個(gè)音只對(duì)應(yīng)一個(gè)簧片的振動(dòng)。因此，吹奏單音口琴的某一個(gè)音時(shí)，其振幅基本恒定。復(fù)音口琴則不同，每個(gè)音對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)簧片的振動(dòng)，并且兩個(gè)簧片的振動(dòng)頻率非常接近。吹奏復(fù)音口琴時(shí)，可以非常清晰地聽到聲音忽大忽小的現(xiàn)象，不同音調(diào)對(duì)應(yīng)的拍頻也不相同。課堂上，可以先讓學(xué)生們辨別單音口琴和復(fù)音口琴音效的區(qū)別，隨后引導(dǎo)學(xué)生找出兩種口琴在構(gòu)造上的差異，并用振動(dòng)方向相同、頻率相近、振幅相近的兩個(gè)振動(dòng)的疊加來對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

圖4 使用復(fù)音口琴演示拍頻與單音口琴不同，復(fù)音口琴的一個(gè)音對(duì)應(yīng)上下兩個(gè)簧片，它們的頻率略有差異，吹奏時(shí)能夠聽到拍頻

駐波是普通物理學(xué)中非常重要的概念，對(duì)理解量子力學(xué)的內(nèi)容也有一定幫助。對(duì)于兩端均為固定或者自由邊界條件的一維駐波而言，其振動(dòng)頻率ν滿足如下關(guān)系(忽略管口修正)：

(2)

圖5 使用可伸縮軟管演示一維駐波的頻率壓縮(a)； 拉伸(b)； 旋轉(zhuǎn)(c)軟管，可以產(chǎn)生不同頻率的駐波

其中，n是正整數(shù)；u是波速；L是駐波所處一維空間的長度。在課堂上通常使用繩波或者彈簧來演示一維駐波。這種方式雖然能看到波形，但聽不到振動(dòng)頻率。在科技館中經(jīng)常可以看到用長短不一的空心管。當(dāng)耳朵貼在管道端口時(shí)，可以聽到不同的音調(diào)。日常生活中使用的塑料下水管道(見圖5)與科技館中的展品非常相似，并且可以通過伸縮來改變長度。將管道從最短的狀態(tài)一節(jié)一節(jié)的拉伸，其發(fā)出的聲音頻率逐漸降低。這與方程(2)所給出的規(guī)律是一致的：管道中駐波的頻率ν隨著管道長度L的增大而降低。如果管道一節(jié)一節(jié)的收縮，管道中所發(fā)出聲音的頻率則不斷增高。這與學(xué)生在開水房打水時(shí)聽到的暖水瓶中的音效非常相似，因此立即就引起學(xué)生的興趣。除了改變L，還可以通過改變n來改變駐波頻率ν。如圖5(c)所示，手握管道一端使其旋轉(zhuǎn)。隨著旋轉(zhuǎn)頻率的增加，管道中能發(fā)出不同頻率的聲音：轉(zhuǎn)動(dòng)頻率越高，所發(fā)出的聲音頻率也越高。

圖6 利用雙耳平底鍋演示駐波(a) 雙耳平底鍋； (b) 雙手摩擦鍋耳，水花四濺； (c) 二維圓形薄板的本征振動(dòng)模式

二維駐波最著名的例子是克拉尼圖形和中國古代的魚洗[13]。克拉尼圖形實(shí)驗(yàn)需要振源、平板、沙子等材料，裝置相對(duì)比較復(fù)雜，并且只能觀察到波節(jié)，無法確定波腹的準(zhǔn)確位置。魚洗需要專門制作的敞口平底盆來演示，不易攜帶和推廣。如果可以使用家中做飯的鍋代替魚洗，學(xué)生則會(huì)覺得非常驚奇，也會(huì)主動(dòng)嘗試這一實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，將雙耳平底鍋裝滿水，然后用雙手摩擦雙耳部位，水花四濺，同時(shí)還聽到相應(yīng)的振動(dòng)頻率。我們將xy平面等效為均勻分布的離散質(zhì)點(diǎn)，最近鄰質(zhì)點(diǎn)之間有彈簧相連。借助于力常數(shù)方法[10-12]，我們得到了振動(dòng)的本征方程：

(3)

其中，mk代表第k個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；uz(k)代表第k個(gè)質(zhì)點(diǎn)沿z方向的位移；K(k,k′)代表第k個(gè)質(zhì)點(diǎn)與第k′個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的力常數(shù)。通過求解方程(3)的特征值和特征向量，我們得到了相應(yīng)的振動(dòng)模式，如圖6(c)所示。雖然圖6(c)與圖6(b)中水面所展示出的現(xiàn)象非常相似，但它們并不相同。雙耳平底鍋中的水花，是由于側(cè)壁振動(dòng)導(dǎo)致的，并不是在水的表面形成了二維駐波[13]；而圖6(c)所展示的是二維圓形薄板在自由邊界條件下的本征振動(dòng)模式。

3 熱學(xué)演示實(shí)驗(yàn)

下面介紹熱力學(xué)第一定律、絕熱膨脹和熱機(jī)對(duì)應(yīng)的便攜物理演示實(shí)驗(yàn)。熱力學(xué)第一定律是能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律，相應(yīng)的例子很多。但是，如何利用日常生活中的物品做出令學(xué)生覺得新鮮有趣的演示實(shí)驗(yàn)，并非易事。圖7(a)和(b)是使用普通橡皮筋展示熱力學(xué)第一定律的演示實(shí)驗(yàn)。快速拉伸橡皮筋，然后立刻將橡皮筋的中部與下巴接觸，能明顯感覺到橡皮筋升溫。這是因?yàn)橥饬?duì)橡皮筋做正功，橡皮筋內(nèi)能增加。與之相反，快速收縮橡皮筋，外界對(duì)橡皮筋做負(fù)功，橡皮筋內(nèi)能降低，溫度下降。這一現(xiàn)象與氣體絕熱膨脹和壓縮導(dǎo)致的溫度變化正好相反：理想氣體絕熱膨脹，溫度下降；絕熱壓縮，溫度升高。以此為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生找出橡皮筋與氣體之間的差異，從而利用熱力學(xué)第一原理解釋相關(guān)現(xiàn)象。

圖7 利用橡皮筋演示熱力學(xué)第一定律((a)和(b))；利用礦泉水瓶演示絕熱膨脹((c)和(d))

與等溫、等壓和等容過程的物態(tài)方程相比，絕熱過程的物態(tài)方程比較復(fù)雜。如果能夠找到一個(gè)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自己制造一個(gè)絕熱過程，則會(huì)增大學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。如圖7(c)所示，在550ml的普通礦泉水瓶中注入少量水，然后擰緊瓶蓋，并進(jìn)行搖晃。隨后左右手反向旋轉(zhuǎn)，將礦泉水瓶的中部擰成麻花狀(圖7(d))。此時(shí)，瓶中的空氣體積減小，壓強(qiáng)增大。隨后，用大拇指快速撥開瓶蓋。瓶內(nèi)空氣快速膨脹，溫度降低，水蒸氣凝結(jié)，于是從瓶口升起一股白煙。最后的膨脹過程持續(xù)時(shí)間很短，因此可以近似認(rèn)為是絕熱膨脹過程。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以非常生動(dòng)地向?qū)W生展示絕熱膨脹導(dǎo)致氣體溫度降低。

熱機(jī)的循環(huán)過程是對(duì)物態(tài)方程的綜合利用，非常有利于提高學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的分析能力。圖8是一種簡易的外燃機(jī)，只使用了玻璃注射器、銅絲和噴槍。其工作介質(zhì)只與外界交換熱量，不與外界進(jìn)行物質(zhì)交換，便于從理論上分析其循環(huán)過程[14-16]。首先，利用噴槍將玻璃注射器外筒頂端熔化，封閉。然后在注射器中放入一小團(tuán)銅絲，其直徑略小于注射器外筒內(nèi)徑，以便銅絲可以在注射器內(nèi)靈活移動(dòng)。接著，將注射器的玻璃活塞放入外筒內(nèi)，手握注射器玻璃活塞尾部，使注射器尾部略微抬起。最后，用噴槍加熱注射器前端，同時(shí)用手向后撥動(dòng)注射器外筒，于是注射器外筒就會(huì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)起來。

在循環(huán)過程中，銅絲將氣體分為兩部分：注射器前部的高溫區(qū)(T1)和尾部的低溫區(qū)(T2)。如果銅絲位于注射器的尾端，氣體與溫度為T1的高溫?zé)嵩唇佑|。當(dāng)銅絲運(yùn)動(dòng)至注射器前端時(shí)，氣體被擠壓至注射器尾端，使其與溫度為T2的低溫?zé)嵩唇佑|。氣體溫度降低，壓強(qiáng)下降(可近似為等容降溫過程)。隨后，注射器外筒帶動(dòng)銅絲向玻璃活塞運(yùn)動(dòng)，針筒內(nèi)氣體體積減小(可近似為絕熱收縮過程)。當(dāng)銅絲運(yùn)動(dòng)至注射器尾端時(shí)，氣體被擠壓至注射器前端，使其與溫度為T1的高溫?zé)嵩唇佑|。氣體溫度升高，壓強(qiáng)增大(可近似為等容升溫過程)。于是注射器外筒遠(yuǎn)離玻璃活塞，針筒內(nèi)氣體體積增大(可近似為絕熱膨脹過程)。這是一個(gè)制作非常簡單的熱機(jī)，其循環(huán)過程可以簡化為兩個(gè)等容過程和兩個(gè)等溫過程，對(duì)于學(xué)生掌握理想氣體的物態(tài)方程和熱機(jī)效率有很大幫助。

4 電磁學(xué)演示實(shí)驗(yàn)

圖9 (a) 磁鐵之間的排斥、吸引作用； (b) 利用球狀指南針演示電流的磁效應(yīng)； (c) 利用電池、磁鐵和銅線制作的電動(dòng)機(jī)，銅線轉(zhuǎn)動(dòng)； (d) 利用電池、磁鐵、螺絲釘和銅線制作的電動(dòng)機(jī)，磁鐵和螺絲釘一同轉(zhuǎn)動(dòng)

電磁學(xué)在日常生活中有著非常重要的應(yīng)用。圖9中的3個(gè)實(shí)驗(yàn)分別涉及磁場、電流的磁效應(yīng)和安培力3個(gè)知識(shí)點(diǎn)。眾所周知，兩個(gè)磁鐵之間可以相互吸引，也可以相互排斥，相互作用力的大小隨距離的增大而減小。利用這一特性，可以制作出圖9(a)中的實(shí)驗(yàn)裝置：磁球(左側(cè))和圓柱磁鐵(右側(cè))放置在水平桌面上，增大它們之間的距離r時(shí)，兩者表現(xiàn)為引力；減小它們之間的距離時(shí)，兩者表現(xiàn)為斥力。因此，兩個(gè)磁鐵之間存在平衡距離r0，此時(shí)兩個(gè)磁鐵在水平方向上的相互作用力為零。其原理的定性描述比較簡單：磁球與小半徑圓柱磁鐵為排斥力，與大半徑圓柱磁鐵為吸引力。當(dāng)r>r0時(shí)，磁球與大半徑圓柱磁鐵的吸引力大于與小半徑圓柱磁鐵的排斥力，所以兩者相互吸引；當(dāng)r

圖9(b)為電流磁效應(yīng)演示裝置。此類演示儀器通常使用封裝在扁平圓柱體內(nèi)的磁針。這時(shí)磁針只能在垂直于轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，限制了其探測外磁場的范圍。如果換成如圖9(b)所示的球狀磁針，則可以克服這一缺陷。將球狀指南針放在礦泉水瓶口，隨著導(dǎo)線位置的變化，磁針可以向任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能夠更好地說明導(dǎo)線附近磁場的方向。

安培力的產(chǎn)生需要3個(gè)要素：導(dǎo)線、電流和磁場。因此，利用銅導(dǎo)線、電池和釹鐵硼強(qiáng)磁鐵就可以制作出如圖9(c)所示的電動(dòng)機(jī)。將磁鐵吸附于干電池的負(fù)極，放置在水平桌面上。用十字螺絲刀在電池的陽極頂端壓出一個(gè)小坑，將銅導(dǎo)線的一端放在小坑內(nèi)，然后使銅導(dǎo)線自然下垂，另一端則會(huì)接觸磁鐵，從而構(gòu)成閉合回路。當(dāng)有電流通過銅導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)有安培力作用在導(dǎo)線上，從而使銅導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)起來。由于短路電流過大，銅導(dǎo)線的底端會(huì)被拋起，離開磁鐵，電路斷開，安培力消失。隨后，導(dǎo)線底端在重力的作用下下落，再次接觸磁鐵，電路導(dǎo)通，再次被拋起。因此，這是一個(gè)脈沖電流驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。圖9(d)與圖9(c)的原理相同，也是利用安培力制作的電動(dòng)機(jī)。在圖9(d)的底端，磁鐵吸附在一個(gè)長約3cm的螺絲釘上，螺絲釘則吸附在電池的負(fù)極上。導(dǎo)線的上端與電池的陽極接觸，下端則與磁鐵的外沿接觸，從而構(gòu)成閉合回路。此時(shí)，通過磁鐵內(nèi)部的電流受到安培力，磁鐵和螺絲釘便開始旋轉(zhuǎn)。

5 光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)

下面通過液晶顯示器、激光器、深色玻璃和鋼尺來展示偏振光和光柵衍射的內(nèi)容。電腦的液晶顯示屏是采用背光照明，并使用了兩個(gè)透光方向相互垂直的偏振片，最終出射的是線偏振光。如圖10(a)所示，在一臺(tái)筆記本電腦的屏幕前加入一個(gè)偏振片，被偏振片覆蓋部分的光強(qiáng)與周圍其他部分相比，并沒有減弱；將偏振片旋轉(zhuǎn)45°，被偏振片覆蓋的區(qū)域明顯變暗(圖10(b))；將偏振片旋轉(zhuǎn)90°，則被偏振片覆蓋區(qū)域出現(xiàn)消光現(xiàn)象(圖10(c))。這與馬呂斯定律I=I0cos(θ)2是一致的。

圖10 液晶顯示器偏振演示實(shí)驗(yàn)(a)～(c) 筆記本電腦顯示的圖像隨偏振片角度的改變; (d)～(f) 獨(dú)立顯示器的顯示效果隨偏振片的角度而發(fā)生改變

上面只是被動(dòng)地利用了液晶顯示器的偏振特性，下面來展示主動(dòng)改造液晶顯示器的效果。拆開一臺(tái)液晶顯示器的外殼，將其上表面粘貼的偏振片移除，得到一個(gè)只顯示白光的顯示器(圖10(a)右側(cè))。在顯示器和觀測者之間加入偏振片后，這個(gè)經(jīng)過改造的液晶顯示器就可以正常顯示圖像(圖10(d)右側(cè))。將偏振片旋轉(zhuǎn)不同的角度，則會(huì)看到不同的色彩效果(圖10(e)和(f))。將這個(gè)改造過的顯示器帶入課堂給學(xué)生展示，學(xué)生們都很驚奇，急切地想知道其中的物理原理。

圖11 利用線偏振光照射黑色玻璃片，反射光強(qiáng)度隨入射角的變化

布儒斯特角與光的偏振特性有密切的聯(lián)系，它有兩種表現(xiàn)方式：一種是以自然光入射，反射光為線偏振光；另一種是以線偏振光入射，如果入射光的偏振方向與入射面平行，則只有折射光，無反射光。圖11是利用第二種方式展示布儒斯特角特性的演示儀。首先，讓一束激光通過起偏器，照射在黑色玻璃板上。然后，調(diào)整黑色玻璃板的角度，使得入射光的偏振方向與入射面平行。最后，改變?nèi)肷浣牵^察反射光強(qiáng)度的變化。當(dāng)入射角大于布儒斯特角時(shí)，反射光斑較為明亮(圖11(a))；當(dāng)入射角等于布儒斯特角時(shí)，反射光斑亮度達(dá)到極小值(圖11(b))；繼續(xù)減小入射角，反射光斑亮度增加(圖11(c))。如果入射光不是理想的線偏振光，或者入射光的偏振方向與入射面不完全平行，則圖11(b)中的反射光光強(qiáng)不會(huì)等于零。

光柵衍射是波動(dòng)光學(xué)中重要的內(nèi)容。課堂上可以通過激光器照射光柵或者光盤來進(jìn)行演示，但肉眼都無法直接看到光柵或者光盤上的周期結(jié)構(gòu)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，筆者使用普通鋼尺作為反射光柵來演示光柵衍射。如圖12所示，鋼尺上有均勻刻度。在0～10cm范圍內(nèi)，刻度的最小間隔為0.5mm，這就是光柵常數(shù)d。反射光柵的光柵方程為

(4)

其中，θ1和θ2分別代表入射角和衍射角；λ為入射光波長；k為整數(shù)。如果垂直入射(θ1=0)，則衍射條紋過于密集，難以直接觀測。如果掠射(θ1≈90o)，則可以在幾米遠(yuǎn)的墻上看到清晰的衍射條紋(圖12(a))。此時(shí)，學(xué)生可能會(huì)質(zhì)疑，認(rèn)為墻上觀察到的不是衍射條紋，而是經(jīng)過鋼尺的反射光。此時(shí)，將入射光斑從鋼尺的0～10cm范圍調(diào)整到10～20cm范圍。此時(shí)，鋼尺的最小刻度則從0.5mm增大為1mm，因此光柵常數(shù)d也增大一倍。此時(shí)，在原有衍射條紋的中間，出現(xiàn)了新的衍射條紋，衍射條紋變得更加密集(圖11(b))。這與光柵方程預(yù)期的結(jié)果一致，而與鏡面反射的預(yù)期相反。因此，墻上觀察到的是衍射條紋，不是鋼尺的反射光。

圖12 利用激光和鋼尺演示光柵衍射一束激光掠射鋼尺上的刻度，在0～10cm范圍(a)和10～20cm范圍(b)形成的衍射條紋

6 結(jié)語

教師在課堂上現(xiàn)場演示物理實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)⒗碚摵蛯?shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，滿足多層次的教學(xué)要求：既可以對(duì)現(xiàn)象做定性解釋，也可以對(duì)其進(jìn)行定量求解，并利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行模擬，還可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。開發(fā)、制作便攜物理演示實(shí)驗(yàn)裝置，可以激發(fā)教師的教學(xué)熱情和學(xué)生的求知欲，使學(xué)生能夠利用生活中的普通物品在課堂和實(shí)驗(yàn)室之外來探索物理的奧秘。通過多年的不懈努力，我們已經(jīng)積累了近兩百個(gè)便攜物理演示實(shí)驗(yàn)，不僅在本校得到了廣泛的應(yīng)用，還受邀到深圳、銀川、貴陽等地進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流和推廣。本文是筆者從事教學(xué)工作近15年的一些心得體會(huì)，還比較粗淺，對(duì)于其中不足之處，還望讀者不吝賜教。

[1] 張偉, 郭玉英, 劉炳升. 非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn):有待深入開發(fā)的重要物理課程資源[J]. 物理教師:高中版, 2005, 26(9): 47-50. Zhang Wei, Guo Yuying, Liu Bingsheng. Unconventional physics experiments: Underdeveloped important physics teaching resource[J]. Physics Teacher: High School, 2005, 26(9): 47-50.(in Chinese)

[2] 秦吉紅, 梁穎. 在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的案例剖析——紀(jì)念黃祖洽先生[J]. 大學(xué)物理, 2015, 34(2): 15-18. Qin Jihong, Liang Ying. Analysis of reinforcing scientificliteracy in physics teaching——In memory of Huang Zu-qia[J]. College Physics, 2015, 34(2): 15-18. (in Chinese)

[3] 顏明慧, 張偉. 新課程背景下開發(fā)利用物理體感實(shí)驗(yàn)的教學(xué)建議[J]. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào):教育科學(xué)版, 2011, 24(6): 141-144. Yan Minghui, Zhang Wei. Suggestion of developing physical somatic sense experiments based on new course[J]. Journal of Inner Mongolia Normal University: Education Science, 2011, 24(6): 141-144. (in Chinese)

[4] 張俊輝. 讓趣味實(shí)驗(yàn)為物理課堂教學(xué)添翼[J]. 科技資訊, 2011(13):195. Zhang Junhui. Interesting experiments improve classe education. Scientific Information, 2011(13): 195. (in Chinese)

[5] 段景山. 以趣味實(shí)驗(yàn)帶動(dòng)啟發(fā)式教學(xué)——啟發(fā)式教學(xué)方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版, 2005, 7(S1):100-103. Duan Jingshan. Promote heuristic with interesting experiments. Journal of University of Electronic Science and Technology of China:Social Sciences Edition, 2005, 7(S1): 100-103. (in Chinese)

[6] 劉炳升. 訪問美國東部幾所大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室的印象[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn), 1997(4):37-39. Liu Bingsheng. Physics demonstration laboratory impression of visiting American universities located in east[J]. Education instruments and experiments, 1997(4): 37-39. (in Chinese)[7] 教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì). 解放思想, 力爭超越, 進(jìn)一步推進(jìn)基礎(chǔ)物理教學(xué)改革創(chuàng)新的倡議[J]. 物理與工程, 2014, 24(6): 2-4. The Ministry of Education of Higher School University Physics Teaching Steering Committee. Emancipate the mind, strive to surpass, and improve innovation of basic physics education[J]. Physics and Engineering, 2014, 24(6): 2-4. (in Chinese)

[8] 許裕栗, 蔣甲生, 朱勇, 等. 韋氏耦合擺共振機(jī)理探索[J]. 物理實(shí)驗(yàn), 2008(28):35-37. Xu Yuli, Jiang Jiasheng, Zhu Yong, et al. Research on the resonance of Wilberforce Pendulum[J]. Physics Experimentation, 2008(28): 35-37. (in Chinese)

[9] 路峻玲, 王長江, 秦聯(lián)華. 振轉(zhuǎn)耦合振子實(shí)驗(yàn)研究[J]. 大學(xué)物理, 2009(1):29-29. Lu Junling, Wang Changjiang, Qin Lianhua. An experimental study on a moving-turning coupled oscillator[J]. College Physics, 2009(1): 29-29. (in Chinese)

[10] Wang H, Wang Y F, Cao X W, et al. Vibrational properties of graphene and graphene layers[J]. Journal of Raman Spectroscopy, 2009(40): 1791-1796.

[11] Tan P H, Han W P, Zhao W J, et al. The shear mode of multilayer graphene[J]. Nature materials, 2012(11): 294-300.

[12] Wang H, Feng M, Zhang X, et al. In-Phase family and self-similarity of interlayer vibrational frequencies in van der waals layered materials[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2015(119): 6906-6911.

[13] 嚴(yán)燕來, 梁華翰, 浦琴娣, 等. 魚洗振型淺析[J]. 大學(xué)物理. 1996, 15(2):41-44. Yan Yanlai, Liang Huahan, Pu Qindi, et al. Investigation of vibration modes of a fish-basin[J]. College Physics, 1996, 15(2): 41-44. (in Chinese)

[14] 王維揚(yáng), 張黎莉, 孫明明, 等. 關(guān)于可調(diào)壓縮比斯特林熱機(jī)的物理演示實(shí)驗(yàn)[J]. 物理與工程. 2015, 25(6):41-4. Wang Weiyang, Zhang Lili, Sun Mingming, et al. The demonstration experiment of Stirling engine with adjustable compression ratio[J]. Physics and Engineering, 2015, 25(6): 41-43. (in Chinese)

[15] 周雨青. 理想斯特林熱機(jī)循環(huán)原理及其效率的計(jì)算和實(shí)際工作效率的簡單討論[J]. 物理與工程. 2015, 25(01):49-52. Zhou Yuqing. A discussion about the ideal sterling cycle’s principle of operation and factors that influence the efficiency of a real sterling cycle[J]. Physics and Engineering, 2015, 25(01): 49-52. (in Chinese)

[16] 孫久勛. 以范德瓦耳斯氣體為工質(zhì)的3種熱機(jī)循環(huán)效率[J]. 物理與工程. 2013, 23(6):22-5. Sun Jiuxun.Three kinds of cycle efficiency of heat engine with the van der waals gas as working substance[J]. Physics and Engineering,2013, 23(6): 22-5. (in Chinese)

■

DEVELOPMENT, PRODUCTION AND APPLICATION OF PORTABLE PHYSICS DEMONSTRATION EXPERIMENTS IN CLASS EDUCATION

Wang Hui

(School of Physics and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471023)

We take fifteen experiments in five categories of mechanics, vibration and wave, heat, electromagnetism and optics as examples to illustrate how to develop and make the portable physical demonstration devices and the special role of physics demonstration experiments in class education. These physics demonstration experiments are based on living, simple, easy to carry and promote. They can not only be directly used in class, but also be made and simulated by students, which meets different levels of needs in teaching. Development and production of the physics demonstration experiments can effectively improve the effect of classroom teaching, stimulate students’ thirst for knowledge, and improve their experimental attainments.

physics demonstration experiments; portability; physics education

2016-12-02

教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(DWJZW201601zn)，河南省教育技術(shù)裝備和實(shí)踐教育研究項(xiàng)目(GZS274)，河南科技大學(xué)重大教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2015YBZD-012)，河南科技大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2015YB-024)，河南科技大學(xué)SRTP項(xiàng)目(2016083)。

王翚，男，副教授，主要研究方向?yàn)槲锢硌菔緦?shí)驗(yàn)、計(jì)算物理，nkxirainbow@gmail.com。

王翚. 便攜物理演示實(shí)驗(yàn)的開發(fā)、制作及其應(yīng)用[J]. 物理與工程，2017，27(5)：33-39,46.