低成本 高智慧 深探究（八）——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。
八、使用准确得当，防止假象谬误
低成本实验材料虽然简易，但要把事物现象说明白，却不那么容易。而且，越是简单有趣的现象，有时解释起来越是费事。如图1是在儿童的零食包里用塑料制成的倒翻陀螺（或者找一个剖成半球形的乒乓球，中间浇上一些蜡，在中心插上一根火柴，火柴梗露出端不要超出太大，倒翻陀螺便制成了）。先将它圆底着地，快速旋转。转着转着，你会发现，当转到最后快结束时，它突然自动翻个筋斗作转柄在下，圆底向上的旋转。这使人感到很惊奇。
图1
这个玩具曾在50年代风靡丹麦，引起大物理学家玻尔和泡利等人的极大兴趣。两位物理学大师曾对这个玩具的一些细节问题进行了探究。这个现象解释起来颇为费事，涉及的知识超出了中学物理范围。简单地说，如图2所示，当倒翻陀螺转到稍微有点倾斜，即不是圆底的中心着地时，陀螺重心已不在着地点的垂线上。由于旋转着的陀螺自身的离心现象，陀螺旋转中心将发生变化。由于半球形陀螺着地的是半球面，很显然，陀螺着地点很容易变动，当陀螺旋转到倾斜时，离心现象使球体改变原来着地点。旋转越快，离心现象越显著，陀螺便越转越倾斜，由圆底中心以螺旋形向外逐渐旋转出去，但陀螺的旋转轴线始终是竖直方向，这样离心现象始终发生在水平方向，所以旋转物体的倾斜度逐渐变大，最后在陀螺和桌面之间的摩擦力矩的作用下，突然翻个身并继续旋转。
由此看来，由于低成本实验取材各异，形式多样，现象呈现的原因往往比较复杂。它不像实验室里的专用实用仪器是经过生产厂家加工制成，演示的原理明确且单一，又有仪器说明书可作参考。所以，在大力倡导低成本实验的同时，更要在教学中使用得当得法，防止发生假象和谬误。因此，在运用低成本实验时，教师要注意以下几点：
图2
(1)防止在原理上发生谬误
在讲静电屏蔽新课时，常常有些老师把一个正在播放的小型收音机放入金属盒内（或把手机放入，然后进行拨打），如图3所示。声音就听不到了 （或手机失效了），宣称这就是静电屏蔽现象（学生往往激动地鼓掌）。但其实这不是静电屏蔽现象，而是电磁波屏蔽现象。
图3
我们知道，处于静电平衡的金属盒，内部的场强处处为零。金属盒可以保护它所包围的区域，使内部区域不受外部电场的影响，这种现象叫静电屏蔽。电磁波屏蔽与静电屏蔽的机理不一样。静电屏蔽是靠导体上的电荷重新分布引起的，而电磁波屏蔽是由于金属盒上产生涡流，抵消了电磁波引起的。
即金属盒对电磁波也有一种屏蔽作用，使金属盒内的空间不受外部电磁波的影响。在本质上，信号电磁波进不了铝饭盒，是电磁波在金属表面的趋肤效应，趋肤的深浅和电磁波的频率有关，频率越高，趋肤效应越明显。由此看来，本实验只能说明电磁场的屏蔽情况，而不能说明静电场的屏蔽情况。
(2)绕开假象，改进演示方法
过去教材中有这样一段话：“声波能发生干涉，这可以用音叉来演示。音叉发声的时候，它的两个叉股是相同的波源，它们产生的两列波发生干涉，出现相间的加强区和减弱区。在加强区，空气的振动加强，我们听到的声音也强。在减弱区，空气的振动减弱，我们听到的声音也弱。因此，当我们环绕正在发声的音叉走一周，或者人不动而使音叉绕叉柄的纵轴旋转，就会听到声音忽强忽弱”。这个实验在原理上解释起来是不够科学的，产生的声音的干涉现象存在“假象”。原因是音叉的两个叉股相距不到2cm，在空间是找不到两声源的波程差为半波长奇数倍的减弱点和波程差为波长整数倍的加强点的。在图4中，中央竖直方向产生的加强区域确是干涉的结果，但水平方向产生的加强区域是面状发声体的朝向引起的（可用钢板之类的发声体证实）。在朝向产生的强域和干涉产生的强域交界处，形成了相对声音的弱域。目前的新课程教材已用两只扬声器来代替音叉。
图4
但用两只扬声器来演示干涉现象的实验做起来往往会不够明显。经实践，可以这样来演示：在室外大草坪上安装两个间距可调的同型号小扬声器（阻抗为8Ω的玩具小喇叭），扬声器由一个带正弦波功率输出的低频信号发生器（频率可调）输入。低频信号发生器推动两个扬声器发出两列振动频率完全相同的声波，可以在均匀的空气中形成稳定的干涉现象。如果觉得听到的声音比较弱，可以采用无线话筒将探测到的声音信号通过扩音器放大 （或者用手持扩音器）；或者经音频放大器放大，再用示波器显示，从示波器波形的变化判断声音的强弱。除了在草坪上探测到声音的干涉现象外，还可以把手持扩音器放到两声源的上空进行探测，也会测量到声音的干涉现象。这说明声音所产生的干涉现象是分布在三维空间中的。这也可以在教室内进行，把这两只小玩具扬声器装在可绕转的水平直杆两端，当两只小玩具扬声器转动时，学生在座位上就会听到声音忽强忽弱。如图5所示，演示效果很好，更重要的是，这样的演示绕开了可能产生的假象，更符合干涉的原理了。
图5
(3)避免片面理解现象的内涵与本质
许多低成本实验涉及到比较复杂的物理原理，在说明原理时要避免片面理解现象的内涵和本质。如常见有这样的一道题：用细笔画一些横线和竖线，组成边长2mm的小方格，如图6用两支笔杆并在一起构成一个狭缝，狭缝与细格横线平行，眼睛紧靠狭缝适当地调整狭缝的宽度。看到的是如图 7中哪一个图案呢？
图6
图7
这是一道在考场中就能做的实验习题。只要取两支笔，细加观察，就会看到答案是B。即横线消失了，只留下竖线。家里窗户上一般都有细格尼龙纱窗。请你站在离纱窗0.5m左右，重做一下前面的实验，效果会更好。
许多老师只是简单地说是光的衍射现象。但是，这种现象不同于用狭缝观察日光灯衍射图样。它涉及到信息光学中的阿贝－波特(Abbe-Poner)实验。在一百多年前，科学家阿贝把一张用细丝织成的正交网格（如筛子）——一个两维光栅放在凸透镜的前面，然后用相干光照亮，在凸透镜的后面像平面的屏上出现了网格物的像，如图8。这是我们都熟悉的透镜成像演示。然后，阿贝先生在透镜的后焦平面放上一块毛玻璃屏。这时在屏上会出现一系列整齐排列的二维点阵，中间一个亮点，周围的点越来越暗。这叫二维光栅的傅里叶频谱，由各个傅里叶频谱分量的再组合则在像平面上得到了网格的像。
图8
有趣的是，阿贝先生别出心裁地在焦平面上放上一个能开能合的狭缝。他先让狭缝水平，像平面上出现竖直方向排列的光栅（如图9所示）。随后阿贝先生把狭缝转过90度，此刻竖直方向的光栅变成了水平方向的光栅了！
图9
像狭缝等拦截物在光学中称为空间滤波器。在上面的习题中，两支笔的间隙就构成了一个水平狭缝的空间滤波器。只让竖直结构的频谱分量通过而几乎没有水平结构。因此眼睛看到的是如图7所示的B图案。当然，你若把狭缝旋转90度成为竖直狭缝时，则看到的像只有水平结构而无竖直结构。
以下这些实验现象，教师要透过现象，抓现象的本质：
①把两大张尼龙纱窗布上下迭合在一起时，布面上会出现一些有趣的不规则的波纹（莫尔条纹）。
②当一滴小水滴落在灼热的铁勺上时会弹跳起来，整个水滴反而不易汽化（莱顿弗罗斯特现象）。
③浴缸里的水排出时，在北半球，水流总是沿着逆时针方向旋转（科里奥利力）。
④平板上的沙粒随着板的振动翻滚跳跃，会聚集成美丽的花纹（克拉尼图案）……。
指导这类实验时，老师要多看些书。然后，准确恰当地对学生进行说明。
(4)注意现象与原理的最佳匹配
低成本实验往往涉及到多方面的物理原理。在教学中，要利用其最主要的原理来进行讲解，实现现象与原理的最佳匹配。
如图10所示的实验，一般用来说明惯性原理。松开弹片后，钢球下面的硬纸片被弹出，而钢球则掉到了下面的筒里，所作的解释是钢球由于惯性要保持原来的静止状态，就留在原处。实际上并不是这样简单。在这个实验中，钢球具有惯性，要保持原来的静止状态，但钢球受到了硬纸片所施的摩擦力的作用，它能否掉进筒中，肯定还跟这个摩擦力的大小及作用时间有关。为简化起见，我们不考虑钢球的滚动，对钢球(A)和硬纸片(B)进行受力情况分析。设钢球和硬纸片之间的动摩擦因数为μ，则硬纸片B对钢球A的摩擦力
。
图10
可见，
与钢球的质量无关，只由钢球和硬纸片之间的动摩擦因数来决定。这说明什么呢？实际上，在弹片对硬纸片作用的过程中，钢球和硬纸片的加速度方向相同，钢球能否掉进筒中，必须满足的一个条件就是硬纸片的加速度至少大于钢球的加速度。是否满足这个条件，从外力来说，当然弹片对硬纸片的打击力越大越好；从A、B系统来说，决定的因素是B对A的摩擦力，只有当使A加速所需要的摩擦力大于B对A所能施加的摩擦力时，A、B之间才可能相对滑动，钢球才可能掉进筒中。即使A、B之间有了相对滑动，钢球的加速度也不可能太大，否则仍可能掉出筒外。而钢球的加速度只与A、B之间的动摩擦因数有关。即若 A、B之间足够光滑的话，钢球才有可能掉进筒中，而不管钢球的质量如何。但我们知道质量是物体惯性大小的量度。这个实验期望的现象竟与物体的惯性大小无关，而是由与惯性无关的摩擦决定。因此用它来作为惯性演示实验就不合适了。类似的例子还很多，如让一支钢笔竖直放置在桌面边沿的白纸上，一手握住白纸，另一手飞快地向下打纸条，纸条被快速拉出，钢笔依然不倒。事实上，这些实验真正能说明的倒是冲量定理！用于作惯性的演示实验，影响因素就过于复杂了。
因此，设计实验演示要注意现象与原理的最佳匹配。
此外，低成本实验往往较有趣，但如果运用失当，造成喧宾夺主，将影响课堂主题。这在教学中要加以注意。