低成本 高智慧 深探究（九）——低成本实验在物理教学中的开发与运用，本文主要内容关键词为：低成本论文,物理论文,教学中论文,高智慧论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
九、精彩朵颐欣赏，探索魅力无穷
一个好的低成本实验的设计，一是必须符合科学性和教育性；二是成本低廉便于操作；三是结构精巧充满奇妙；四是趣味性强，能激发起学生的学习兴趣，满足学生的好奇心，调动学生的求知欲。这几年，各地物理教师们设计制作了许多优秀的实验，这些实验使得物理教学更加精彩。
下面介绍我们在教学中使用过的几则实用且有趣的实验。在实践中我们体会到，作为一位物理教师，如果想要与学生一起分享到奇思妙想的乐趣，如果要想把创造教育的新理念落到实处，首先应该培养自己对低成本、高智慧物理实验鉴赏的意识和能力。
(1)分子作用力
演示分子的作用力实验有许多，这些实验各有它们的独到之处。如图1所示，用一根细铁丝把塑料桶悬挂在空中，在塑料桶内慢慢注入水，使细铁丝张紧并处于临近断裂状态（但没有断），用打火机烧细铁丝到一定程度，只听“拍”一声，细铁丝断裂，塑料桶跌落。这说明铁丝加热处温度升高后，此处的铁丝内分子运动加剧，在竖直方向上铁丝内分子间距加大，分子引力减小。当分子引力不足以平衡桶内水的重力时，细铁丝断裂。
这个实验的“简、奇、险”引得了学生们阵阵掌声，感觉在说明分子力方面要比课本上把玻璃板从水面上提上采的实验（如图2所示）操作更简便，讲解的效果也更好。因此在实验活动设计的时候，应当考虑能使学生喜爱的学习情景。有的人认为高中可以不必再去考虑学生直觉兴趣和操作兴趣的培养，应以理论兴趣的培养为中心。这是一种片面的看法。因为没有一定的直觉和操作兴趣为基础，理论兴趣难以发展起来；以因果兴趣和理论兴趣为主的探究兴趣应当包容直觉和操作兴趣。
(2)受迫振动和共振
几乎所有教材都采用如图3所示的装置来演示受迫振动和共振：在一根张紧的弦上挂有几个摆，其中A、B、C的摆长相等。当A摆振动时，通过张紧的绳子给其他各摆施加驱动力，使其余各摆做受迫振动。拉开驱动摆A释放后，需要等较长的时间才可看到：摆长与驱动摆A摆长相同的B和C两个摆振幅最大；摆长与驱动摆摆长相差最大的D和E两个摆振幅最小。但稍后这种格局即开始变化，使教师不得不赶紧将整个演示停下来。学生刚刚看了个开头，引出了兴趣，却突然中断了。往往会有许多学生要求再继续观察，此时教师会面露难色。究其原因，首先是因为有关的摆长很难调得一致，从而产生“拍”的现象。其次是驱动摆的驱动力是通过张紧的挂单摆的绳子传给其他摆的，而其他摆一有振动也同样可以通过绳子影响驱动摆的振动，这样相互影响，使得问题变得很复杂。此外挂单摆的绳子的松紧程度影响着能量沿绳子的传播快慢。适当放松张紧的绳子，可以加快能量的传递，缩短开始等待的时间，但是其他的问题依然存在。
图3
改进的方法也很简单巧妙：把绳子换成细杆，细杆通过轴承与支架连接，使得杆能够自由转动。在杆上挂上线长不一的若干乒乓球，这样可以减少对杆的摆动的干扰。杆的一端通过一根长度可伸缩的天线杆连接一个重摆，如图4所示（图中斜杆的作用是在不演示时方便固定乒乓球，以免线与线间纠缠）。这样改进的好处：一是共振现象很快显示出来，只有线长与天线杆长度最接近的那个乒乓球振幅最大，其他乒乓球振动幅度都依次减小且都很小，二是可以很方便地引导学生作出共振曲线 （如图5所示）；三是改变天线的长度（即改变驱动力频率），能使学生建立起振幅最大的摆的自由振动频率与驱动力频率的联系，使学生当堂发现出共振的条件；四是不会再发生混乱的格局，可以放心让学生继续观察下去。
(3)隐蔽的“永动机”
在街市工艺品店里常见一种玩具：在一个小塑料支架上“单杠运动员”不停地上下翻转着（如图6所示），非常惹人注目。“单杠运动员”与电源并没有任何导线连接，那么它为什么会“永远”动下去呢？
原来，此玩具结构虽简单，但设计得相当精妙。“运动员”的脚部带有一个磁铁（如图7所示）。隐藏在盒内的两组线圈
同轴绕制，它们和三极管组成一个放大电路，如图8所示。线圈
与三极管的基极b和集电极e相连接；线圈
和电池、集电极和发射极相连接。
当“运动员”不“工作”时，的电流很小。当“运动员”脚部的磁铁往下摆靠近底座正上方时，穿过线圈的磁通量增加，根据法拉第电磁感应定律，在线圈中产生感应电动势，感应电动势如果d高、b低（这一点很容易设计做到），三极管仍处于截止状态，在中仍然电流很小。此时，“运动员”脚上的磁铁在重力的作用下，往下摆动。
当“运动员”摆过底座正上方时，此时穿过线圈的磁通量较大但磁通量在迅速减少，在线圈中就产生一个b高、d低的感应电动势，在基极回路中产生较弱的感应电流。根据晶体三极管放大原理，必然在集电极回路（即线圈）中产生了个较强的电流，并在铁芯中产生了较强的磁场，这个磁场恰与“运动员”脚下磁铁的磁极相反，从而推动“运动员”继续摆动。因此，当“运动员”往下运动时，重力做功，当“运动员”轮刚往上运动时，柱形磁铁所受的磁场力克服重力做功而往上方摆动。周而复始，使得“运动员”不停地上下摆动。
发挥这个玩具的教学功能，可以很好地说明放大电路原理、电磁感应定律、能量转化和守恒定律以及“永动机”不可制造成功等教学内容。
(4)库仑定律
定量或半定量地验证“库仑定律”，是高中物理难以做成功的一个实验。一个原因是要使悬挂电荷的丝线偏离竖直方向有明显的偏角，小球必须带有足够大的电量，这点很难实现，且带电小球的带电荷极易漏电。
如图9是一个自制的定量说明库仑定律的实验装置：一根绝缘细杆的一端连有一只空心轻质小球；细杆的中间安装在机械游丝中，另一端与该装置中的指针相连。演示时，先让右上角的大球带上电，空心小球先被吸引到大球而带上电荷，然后立刻显示了由于排斥力而转动的小格。该方案与库仑扭秤较相似，能较明显地演示静电力大小随两个电荷的电量乘积的增大而反比地增大，但要验证静电力大小与两个电荷间的距离的平方成反比，效果不甚明显。
图9
利用仪器室的物理演示天平加以改装，制成了一架静电天平（如图10所示，浙江东阳中学陈寿忠老师制作，在省物理年会上展示）。它能定量地说明两个点电荷间的静电力与两个电荷的电量乘积成正比，与两个电荷间的距离平方成反比。
图10
找一架200g的带有游码的物理演示天平，拆去托盘架和秤盘，拆去天平横梁左端的平衡螺丝，在右端平衡螺丝上再加一个平衡块。取三个乒乓球，然后在各个乒乓球上均匀地涂上一层碳素墨汁，再在乒乓球外均匀地包上一层塑料胶带。
先使两个带电小球相距8cm。让图中两乒乓球带上同种电荷，由于相互排斥，使天平失去平衡。调节游码，使天平重新平衡。读出静电力的大小 （原天平游码度读数为每格20mg，经改装后每格读数为5mg）。用不带电的分电乒乓球与横梁上一个带电小球接触一下，使该带电小球的电量减少到一半。这时，可看到天平失去平衡。调节游码，使天平重新平衡。读出静电力的读数。可看到静电力减少为原来的一半。可见在两个电荷间的距离不变的情况下，静电力大小与两个电荷的电量乘积成正比。
再移动滑动框架，使两个带电乒乓球相距 16cm。这时，天平又失去平衡，调节游码使天平重新平衡。读出静电力的读数。可以看到，静电力减少到原来的四分之一。可见，在两个电荷的电量乘积不变时，静电力大小与两个电荷间的距离的平方成反比。再继续改变带电小球的带电量和电荷间的距离，就可以轻松地由学生总结出库仑定律啦！
静电天平独辟蹊径的精巧设计和实验的较高精度，获得了仪器行家和物理教师们的好评。
物理学是以实验为本的科学，物理教学同样离不开实验。物理低成本实验是基础物理实验教学中重要的组成部分。在中学物理课程教学活动中，学生的知识学习、技能训练、实验探索的过程，一般不要求严格的环境和精密的仪器。我们要尽可能在易于获得的、亲近生活的、低成本的条件下来进行实验探索，让每个学生都能参-与其中。《物理课程标准》提倡使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种物理实验，这不仅可以拉近物理学与生活的距离，而且让学生深切地感受到科学的真实性。因此，我们不能把低成本实验仅仅看作解决设备不足问题的权宜之计，而是应当重视在新课程理念下低成本实验在探究学习过程的作用和价值。
低成本实验具有简单、生动、形象、明了和贴近生活的特点，有利于激发学生的好奇心和求知欲。低成本实验的一个重要特点是“动手操作，动眼观察，动脑思考”。设计低成本的实验是一种有目的的、操作性很强的实践探索活动，既能满足学生的操作欲望，又能培养学生的探索兴趣。低成本实验活动形式多样，内容丰富多彩，类型和层次千差万别，课内课外都可以进行实验，能满足各种不同学生的需要和爱好，有利于发展学生的个性特长，培养他们的实践意识。
有价值、有生命力的低成本实验真正的魅力是它可以做到成本低而智慧不低、成本低而技术含量不低、成本低而探究的价值不低。开发高智慧、高技术和深探究价值的低成本实验并应用于科学教育，也是我们物理教师的神圣使命！
（连载完）