李培行

摘要：物理實(shí)驗(yàn)中由于一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，儀器欠缺，可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察和研究原型實(shí)驗(yàn)，自制教具對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，文中筆者介紹了幾種實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法，希望對(duì)大家有所助益。

關(guān)鍵詞：自制教具 實(shí)驗(yàn)器材 替換

一、對(duì)實(shí)驗(yàn)替代的認(rèn)識(shí)

物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中的替代方法是通過(guò)對(duì)原型實(shí)驗(yàn)的觀察研究，明確實(shí)驗(yàn)原理，洞悉其材料結(jié)構(gòu)、工藝造型、功能原理等，對(duì)實(shí)驗(yàn)的再一次改進(jìn)和創(chuàng)新，是將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問(wèn)題和物理過(guò)程轉(zhuǎn)化為等效的、簡(jiǎn)單的、易于研究的物理問(wèn)題和物理過(guò)程的創(chuàng)新技法。

替代方法不是消極的頂替和被動(dòng)的變換，而是一種主動(dòng)、積極的創(chuàng)造。替代方法操作過(guò)程中由于創(chuàng)造者的條件環(huán)境有別，對(duì)原實(shí)驗(yàn)的研究層次差異不一，其創(chuàng)新成果就會(huì)層出不窮，這正是創(chuàng)造發(fā)明的特點(diǎn)。

二、替代對(duì)象的確定

替代方法操作的關(guān)鍵是找到替代原型的對(duì)象。一般確定課題后選擇的對(duì)象可以面廣、量多，經(jīng)過(guò)篩選、鑒別再作深入的研究。對(duì)原來(lái)的替代可整體也可部分，部分替代一般是針對(duì)關(guān)鍵的部件、材料的替代，這種替代能使創(chuàng)造者得以將精力集中于必要的創(chuàng)造，而使整體功能超越原型。

三、我們?cè)趯?shí)驗(yàn)替代研究中，進(jìn)行了如下改進(jìn)，推進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）平面鏡成像實(shí)驗(yàn)的替換改進(jìn)

1.用至少三對(duì)大小不等的蠟燭。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，幾十年來(lái)，教材都是直接給出學(xué)生一對(duì)等大的蠟燭來(lái)做該實(shí)驗(yàn)，其實(shí)等于沒(méi)有驗(yàn)證。學(xué)生對(duì)比至少三對(duì)長(zhǎng)短不同的蠟燭之后，自然明白平面鏡成的像是等大的。

2.改用手電筒和燈泡來(lái)做。將手電筒豎立在桌面上，去除外罩，這樣即相當(dāng)于點(diǎn)燃的蠟燭又可以避免蠟燭流蠟和倒下起火的問(wèn)題。

3.用坐標(biāo)紙代替白紙。用刻度尺量像和物到玻璃板的距離時(shí)容易碰到蠟燭，不論是被火焰燙著還是被晃動(dòng)而滴下的滴蠟燙著都很危險(xiǎn)，所以我采用坐標(biāo)紙放在玻璃板的下方，讓學(xué)生通過(guò)看坐標(biāo)紙上格數(shù)準(zhǔn)確判斷像和物的位置，而避免了用刻度尺碰撞蠟燭的情況。

（二）乙醚壓燃點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

乙醚是一種極易揮發(fā)的有毒麻醉劑，儲(chǔ)存時(shí)極易引發(fā)火災(zāi)，實(shí)驗(yàn)時(shí)嚴(yán)重危害師生的身體健康而且成功率不高。改為用火柴頭和火柴盒側(cè)面的黑紙?zhí)鎿Q乙醚就可以了。先將火柴頭慢速擦在火柴盒側(cè)面的黑紙上，讓紅磷與氯酸鉀混合，取一小塊這樣的黑紙放入空氣壓縮筒內(nèi)，黑紙面朝上，把火柴頭粉末撒在黑紙上面。試驗(yàn)時(shí)突然用力向下拍活塞，就可以燃起長(zhǎng)長(zhǎng)的火焰，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯而且成功率高。

（三）內(nèi)能實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用正在放氣的氣球貼著臉，感受氣體對(duì)外做功時(shí)內(nèi)能下降。這一實(shí)驗(yàn)的缺陷是溫度變化不明顯，很多學(xué)生感受不到，另外氣球沒(méi)拿好就帶著響聲飛出去了，影響課堂教學(xué)。改用足球的氣門芯放氣，在排氣孔處放DIS溫度探針，可以明顯看到示數(shù)曲線下降，說(shuō)明氣體對(duì)外做功時(shí)內(nèi)能減小。

（四）薄膜干涉的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

做肥皂液薄膜干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，改用激光照射肥皂液薄膜，反射到屏上進(jìn)行觀察，可以大大提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度和成功率。

具體方法：用激光筆產(chǎn)生激光束，經(jīng)凸透鏡擴(kuò)束后，照射肥皂液薄膜，經(jīng)肥皂液薄膜前后表面反射投影到光屏上，在屏上就會(huì)形成如圖明暗相間的干涉條紋。由于光屏的漫反射，只要學(xué)生能看到光屏，就能看到干涉條紋。

改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)后的方法不僅大大提高可以觀察的范圍，而且采用激光作為光源形成干涉條文亮度高，同時(shí)使可觀察距離得到增加，大大提高實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)度。

此方法不僅適用于觀察肥皂液薄膜干涉，也可以激光照射兩塊玻璃之間形成的空氣薄膜觀察到干涉條紋更亮。且穩(wěn)定持久，傍晚可以做。

（五）液體擴(kuò)散演示的替代

說(shuō)明分子做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，一般是通過(guò)硫酸銅溶液擴(kuò)散于清水來(lái)演示的。但這種演示要經(jīng)過(guò)幾天時(shí)間才有明顯效果。事實(shí)上液體擴(kuò)散是一個(gè)緩慢的過(guò)程，在課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，利用上述方法是無(wú)法觀察到液體擴(kuò)散現(xiàn)象的。要在短時(shí)間內(nèi)顯示液體的擴(kuò)散現(xiàn)象，必須尋求替代方法。

有人利用原電池的原理設(shè)計(jì)了離子探測(cè)器。探測(cè)液體擴(kuò)散時(shí)，利用電流的變化來(lái)替代傳統(tǒng)的觀察方式，這是一種新的擴(kuò)散演示裝置。

自制的離子探測(cè)器，探頭用銅片和鎂片作電極，用木塞固定在玻璃管內(nèi)。當(dāng)探頭放進(jìn)有氫離子存在的溶液中時(shí)，探頭中的原電池產(chǎn)生的電流將使電流計(jì)偏轉(zhuǎn)，電流的大小將隨氫離子的濃度而改變。

實(shí)驗(yàn)時(shí)用手指堵住玻璃管下端開(kāi)口，往管內(nèi)注水，當(dāng)玻璃管上端插入裝有探測(cè)器電極的管塞時(shí)，管中液體在大氣壓作用下不會(huì)從下端管口流出。讀出電流初始值（由于水有部分氫離子電離），將稀硫酸逐漸倒進(jìn)玻璃杯中，直至液面把下端管口封住為止（即兩種液體相接觸）。從電流表中的電流不斷增強(qiáng)，說(shuō)明這時(shí)兩種密度不同的溶液擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行。

具體演示時(shí)應(yīng)注意兩種液體溫度保持相同，這樣可消除由于溫度不同而引起的對(duì)流現(xiàn)象；探測(cè)器的電極距管下端口2mm-3mm，杯中的液面稍低于管中的電極位置。

（六）用滾擺做超重失重實(shí)驗(yàn)

物體處于平衡狀態(tài)時(shí)，其視重等于物體所受的重力。當(dāng)物體沿豎直方向加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體視重便會(huì)大于或小于物體本身所受的重力，即發(fā)生超重和失重現(xiàn)象。我們所見(jiàn)很多演示超重失重現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，由于物體加速度較大而且不穩(wěn)定，超重和失重過(guò)程就十分短暫，學(xué)生不易觀察。尋找一個(gè)理想的“加速度源”，是該演示的滾擺是演示動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)裝置。分析其能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，可發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)加速度值穩(wěn)定，是一個(gè)理想的“加速度源”。向下運(yùn)動(dòng)時(shí)加速（加速度方向和運(yùn)動(dòng)方向一致），向上運(yùn)動(dòng)時(shí)減速（加速度方向和運(yùn)動(dòng)方向相反），因此，可替代演示超重失重的運(yùn)動(dòng)物體。

把滾擺支架固定在測(cè)力計(jì)掛鉤上，此時(shí)測(cè)力計(jì)顯示的是滾擺的視重。釋放滾擺，向下運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度方向向上。測(cè)力計(jì)示數(shù)變?。ㄩ_(kāi)始時(shí)尤為明顯），表明測(cè)力計(jì)對(duì)滾擺的拉力小于滾擺的視重，即出現(xiàn)“失重”現(xiàn)象。滾擺轉(zhuǎn)至最下端后向上運(yùn)動(dòng)，其加速度方向向下，由測(cè)力計(jì)示數(shù)可知此時(shí)出現(xiàn)“超重”現(xiàn)象。

為使演示現(xiàn)象明顯，應(yīng)使擺下落和上升時(shí)加速度值大些，這就需要選擇轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小些的滾擺。

替代技法對(duì)儀器的創(chuàng)新行之有效。即使儀器充足，也應(yīng)挖掘替代技法其獨(dú)特的設(shè)計(jì)功能，留心觀察、收集信息、潛心研究，為提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮作。

本文系河北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題《新課程背景下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中自制教具校本開(kāi)發(fā)和利用研究》研究成果。課題編號(hào)13040279。

（責(zé)編 田彩霞）