摘" 要：家庭物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生選用生活中常見(jiàn)的物品和工具，自制簡(jiǎn)單儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)。本文利用生活中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械“筋膜槍”設(shè)計(jì)了測(cè)定重力加速度、觀察水波的衍射與干涉、探究影響細(xì)繩駐波波腹數(shù)因素的三個(gè)家庭物理實(shí)驗(yàn)，可以較好地豐富中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐和科學(xué)探究的能力，為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)提供良好的素材。

關(guān)鍵詞：家庭物理實(shí)驗(yàn)；筋膜槍；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；核心素養(yǎng)

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理過(guò)程中逐步形成的正確價(jià)值觀、必備品格與關(guān)鍵能力。［1］實(shí)施以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理教學(xué)，教師需要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，積極應(yīng)用探究式教學(xué)模式，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理問(wèn)題情境，為學(xué)生自主探究物理問(wèn)題提供時(shí)間和空間，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中獲取知識(shí)、在問(wèn)題解決中發(fā)展能力，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，培養(yǎng)良好的科學(xué)研究態(tài)度。

高中物理課堂教學(xué)中，開(kāi)展探究式教學(xué)需要占用大量的教學(xué)時(shí)間，還需提供足夠的實(shí)驗(yàn)器材和場(chǎng)地。為彌補(bǔ)探究式教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中的不足，適當(dāng)?shù)貏?chuàng)設(shè)家庭物理實(shí)驗(yàn)是一種較好的選擇。家庭物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生利用常見(jiàn)的物品和工具，自制簡(jiǎn)單儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，掌握科學(xué)探究的基本方法，有助于強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，逐步形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1" 筋膜槍的功能與結(jié)構(gòu)

筋膜槍是生活中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械，通過(guò)其有力高頻的振動(dòng)作用，加快使用者的血液循環(huán)，緩解因工作疲勞或劇烈運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的肌肉酸痛。在家用按摩保養(yǎng)的工具中，筋膜槍的價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單，因此，筋膜槍在大眾生活中的應(yīng)用越發(fā)普及。

如圖1（a）所示是本次實(shí)驗(yàn)選用的筋膜槍，如圖1（b）所示是本次實(shí)驗(yàn)筋膜槍的拆解部件。筋膜槍通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸承，并帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為連桿的前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)槍頭的高頻振動(dòng)，按動(dòng)調(diào)頻按鈕可改變槍頭的振動(dòng)頻率。［2］

（a）

（b）

2" 巧用“筋膜槍”設(shè)計(jì)家庭物理實(shí)驗(yàn)案例

2.1" 測(cè)定重力加速度

2.1.1" 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的建立，為測(cè)定重力加速度提供了一種方案。在人教版高中物理必修第一冊(cè)中，提供了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照相等技術(shù)方法測(cè)定重力加速度，上述方案對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和操作技能要求較高。［3］

因此，實(shí)際教學(xué)中學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)受限。

如圖2（a）所示是利用筋膜槍測(cè)定重力加速度的裝置示意圖。如圖2（b）所示，利用方形硬紙盒作為墊塊，并固定在豎直墻面上；細(xì)木棍參考紙帶寬度折斷，并用熱熔膠粘連制成限位孔；使用雙面膠將紙帶與重物連接，復(fù)寫紙固定在方形硬紙盒表面，完成實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。

（a）

（b）

2.1.2" 實(shí)驗(yàn)操作

將紙帶一端穿過(guò)方形硬紙盒的上下限位孔，向上提拉紙帶，使重物靠近方形硬紙盒的下邊緣。將筋膜槍與紙帶接觸，打開(kāi)筋膜槍開(kāi)關(guān)，擋位調(diào)至1擋50Hz處，待工作穩(wěn)定后，釋放紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。打完紙帶后，關(guān)閉筋膜槍開(kāi)關(guān)，取下紙帶。如圖3所示是實(shí)驗(yàn)獲得的一條紙帶，從點(diǎn)跡清晰、間隔較大的某點(diǎn)開(kāi)始，取連續(xù)七個(gè)印記點(diǎn)的中心作為計(jì)數(shù)點(diǎn)，分別用刻度尺測(cè)量相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，利用逐差法計(jì)算重力加速度g＝（s4＋s5＋s6）－（s1＋s2＋s3）9T2

＝［（2.59＋3.02＋3.39）－（1.58＋1.85＋2.21）］×10－29×（0.02）2

m/s2≈9.3m/s2。

2.1.3" 誤差分析

四川省資陽(yáng)市安岳縣所處地理位置的重力加速度大小約為9.79m/s2，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的重力加速度大小為9.3m/s2。利用相對(duì)誤差公式計(jì)算得到本次實(shí)驗(yàn)的誤差為5.01％。進(jìn)一步分析造成本次實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因有：①筋膜槍和紙帶、紙帶和方形硬紙盒三者之間的摩擦力以及空氣阻力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量值小于真實(shí)值，這是本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。②實(shí)驗(yàn)中手持筋膜槍使其工作時(shí)不穩(wěn)定，導(dǎo)致印記點(diǎn)分布與理論分布有差距。③用刻度尺測(cè)量距離時(shí)存在不可避免的讀數(shù)誤差，可以通過(guò)多次測(cè)量取平均值，以減小誤差。

2.2" 水波的衍射與干涉演示

2.2.1 "實(shí)驗(yàn)裝置搭建

“波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象叫作波的衍射”；“頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同的兩列波疊加時(shí)，某些區(qū)域的振動(dòng)總是加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)總是減弱，這種現(xiàn)象叫作波的干涉”。［4］

人教版高中物理選擇性必修一中，提供了一款水波的干涉與衍射裝置，但是由于設(shè)備數(shù)量有限，無(wú)法滿足所有學(xué)生親自動(dòng)手操作。如圖4所示是利用筋膜槍演示水波的衍射與干涉現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，家庭生活中可以選擇適當(dāng)?shù)氖⑺萜?，?zhǔn)備筋膜槍U形頭和子彈形頭，用硬塑料板制作單縫板。

2.2.2" 實(shí)驗(yàn)操作

演示水波衍射現(xiàn)象時(shí)，筋膜槍安裝子彈形頭，打開(kāi)筋膜槍開(kāi)關(guān)，筋膜槍子彈形槍頭接觸水面，產(chǎn)生連續(xù)的水波，將單縫板插入水槽中，觀察水波波紋的變化。演示水波干涉現(xiàn)象時(shí)，筋膜槍安裝U形頭，打開(kāi)筋膜槍開(kāi)關(guān)，筋膜槍U形槍頭接觸水面，產(chǎn)生了兩列頻率相同、相位差恒定、振動(dòng)方向相同的水波，觀察水波波紋的變化。

2.2.3" 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

為了清晰地觀察和拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本次實(shí)驗(yàn)選用了透明方形亞克力水槽，將其放置在LED超薄燈箱上，水中加入適當(dāng)顏料。打開(kāi)筋膜槍開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生了如圖5（a）所示的連續(xù)水波。如圖5（b）所示是本次實(shí)驗(yàn)的水波衍射現(xiàn)象，觀察到水波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播。如圖5（c）所示是本次實(shí)驗(yàn)的水波干涉現(xiàn)象，水面上出現(xiàn)了一條條相對(duì)靜止的區(qū)域和激烈振動(dòng)的區(qū)域，且這兩類區(qū)域在水面上是穩(wěn)定的。

（a）

（b）

（c）

2.3" 探究影響細(xì)繩駐波波腹數(shù)的因素

2.3.1" 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

魯科版高中物理選擇性必修一第三章第3節(jié)《波的干涉和衍射》中對(duì)駐波進(jìn)行了拓展，對(duì)駐波產(chǎn)生的條件、駐波的波節(jié)和波腹做了相關(guān)解釋。［5］

為拓寬學(xué)生物理學(xué)習(xí)視野、加深對(duì)駐波的了解，教師設(shè)計(jì)了探究影響細(xì)繩駐波波腹數(shù)因素的實(shí)驗(yàn)。如圖6所示是利用筋膜槍探究影響細(xì)繩駐波波腹數(shù)因素的裝置示意圖。開(kāi)展該家庭物理實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備一根細(xì)繩，選取一段硬質(zhì)塑料管，用熱熔膠將其粘連在筋膜槍槍頭位置，完成實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。

2.3.2" 實(shí)驗(yàn)操作

細(xì)繩駐波波腹數(shù)與細(xì)繩長(zhǎng)度L、自由振動(dòng)頻率f、張力T、線密度μ有關(guān)。具體的細(xì)繩駐波波腹數(shù)表達(dá)式為n＝2LfμT。［6］

由此可見(jiàn)細(xì)繩的長(zhǎng)度和自由振動(dòng)頻率對(duì)細(xì)繩駐波波腹數(shù)的影響很大。本次設(shè)計(jì)的家庭物理實(shí)驗(yàn)，著重探究細(xì)繩長(zhǎng)度和自由振動(dòng)頻率對(duì)駐波波腹數(shù)的影響。

將細(xì)繩穿過(guò)筋膜槍槍頭的硬質(zhì)塑料管，其一端固定，另一端用水平恒力拉直。打開(kāi)筋膜槍開(kāi)關(guān)，槍頭帶動(dòng)細(xì)繩上下振動(dòng)，產(chǎn)生入射波，在細(xì)繩固定樁反射，形成反射波，當(dāng)入射波與反射波相疊加，振幅最大處即為波腹?？刂平钅屨駝?dòng)頻率一定，改變細(xì)繩長(zhǎng)度，觀察并記錄波腹數(shù)；控制細(xì)繩長(zhǎng)度一定，改變筋膜槍振動(dòng)頻率，觀察并記錄波腹數(shù)。

2.3.3" 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

本次實(shí)驗(yàn)選用發(fā)光跳繩，在黑暗的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。筋膜槍30擋為50Hz、60擋為100Hz、90擋為150Hz。首先控制自由振動(dòng)頻率為50Hz，改變細(xì)繩長(zhǎng)度分別為1m、1.5m、2m，其次控制細(xì)繩長(zhǎng)度為1.5m，改變自由振動(dòng)頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz，得到如表1和表2所示的兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，細(xì)繩張力恒定的條件下，細(xì)繩長(zhǎng)度越長(zhǎng)、自由振動(dòng)頻率越大，細(xì)繩的駐波波腹數(shù)越大。

3" 開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)的問(wèn)卷調(diào)查

3.1" 開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)前問(wèn)卷調(diào)查

開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)需要充分了解學(xué)生、家長(zhǎng)的意愿。在活動(dòng)開(kāi)展前利用“問(wèn)卷星”對(duì)相應(yīng)四個(gè)班級(jí)的學(xué)生和家長(zhǎng)進(jìn)行了匿名問(wèn)卷調(diào)查，共收到有效問(wèn)卷428份，調(diào)查結(jié)果如圖7所示。

學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查環(huán)節(jié)，在問(wèn)題1“物理課堂教學(xué)中你是否經(jīng)常參加實(shí)驗(yàn)操作？”中，僅有4.48％的學(xué)生會(huì)經(jīng)常參加實(shí)驗(yàn)操作，且有43.3％的學(xué)生極少參與或沒(méi)有參與；在問(wèn)題2“你是否對(duì)本次設(shè)計(jì)的家庭物理實(shí)驗(yàn)案例感興趣？”中，有92.5％的學(xué)生有興趣；在問(wèn)題3“你是否愿意參與本次家庭物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)？”中，同樣有92.5％的學(xué)生愿意參加此次家庭實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

家長(zhǎng)問(wèn)卷調(diào)查環(huán)節(jié)，在問(wèn)題1“您覺(jué)得在家開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)是否對(duì)孩子的學(xué)習(xí)有幫助？”中，有97.01％的家長(zhǎng)認(rèn)為開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)；在問(wèn)題2“您支持孩子在家開(kāi)展簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)嗎？”中，僅有2.99％的家長(zhǎng)不支持；在問(wèn)題3“本次實(shí)驗(yàn)需要筋膜槍，您是否支持孩子購(gòu)買？”中，有94.03％的家長(zhǎng)支持，有5.97％的家長(zhǎng)不支持。

通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)課堂教學(xué)中學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)受限，因此較多學(xué)生對(duì)本次家庭物理實(shí)驗(yàn)感興趣，絕大多數(shù)學(xué)生和家長(zhǎng)愿意開(kāi)展本次家庭物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。但班級(jí)中有少數(shù)家長(zhǎng)和學(xué)生還無(wú)法接受家庭物理實(shí)驗(yàn)，因此教師在實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了筋膜槍等實(shí)驗(yàn)用品，供學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)行操作。

3.2" 開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)后問(wèn)卷調(diào)查

為了檢驗(yàn)開(kāi)展此次家庭物理實(shí)驗(yàn)的效果，對(duì)學(xué)生再次進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如圖8所示，在問(wèn)題1“通過(guò)本次家庭物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芊駧椭憷斫庀嚓P(guān)知識(shí)？”中，有88.06％的學(xué)生認(rèn)為開(kāi)展此次家庭物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)有幫助；在問(wèn)題2“家庭物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展能否激發(fā)你學(xué)習(xí)物理的興趣和科學(xué)探究的欲望？”中，有91.05％的學(xué)生認(rèn)為家庭物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱嵘d趣；在問(wèn)題3“你希望此類家庭物理活動(dòng)今后繼續(xù)開(kāi)展嗎？”中，有37.31％的學(xué)生希望繼續(xù)開(kāi)展，有53.73％的學(xué)生認(rèn)為可以少量開(kāi)展。

問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，利用筋膜槍設(shè)計(jì)家庭物理實(shí)驗(yàn)的活動(dòng)，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生理解理論知識(shí)有一定幫助。絕大多數(shù)學(xué)生希望在今后的物理學(xué)習(xí)過(guò)程中開(kāi)展適當(dāng)?shù)募彝ノ锢韺?shí)驗(yàn)（少數(shù)家庭條件不足的同學(xué)，可從實(shí)驗(yàn)室借用器材，開(kāi)展家庭物理實(shí)驗(yàn)）。在課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的物品創(chuàng)造科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，在真實(shí)情境中提出問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)方法收集證據(jù)、得出結(jié)論，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，有助于學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)研究態(tài)度，不斷提高學(xué)生的探究能力和科學(xué)素養(yǎng)。

4" 結(jié)語(yǔ)

本文借助“筋膜槍”設(shè)計(jì)了測(cè)定重力加速度、觀察水波的干涉與衍射、探究影響細(xì)繩駐波波腹數(shù)因素的三個(gè)家庭物理實(shí)驗(yàn)案例。為了調(diào)研家庭物理實(shí)驗(yàn)實(shí)施的價(jià)值，對(duì)涉及的三個(gè)實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。通過(guò)學(xué)生和家長(zhǎng)的問(wèn)卷調(diào)查，了解到絕大多數(shù)學(xué)生和家長(zhǎng)支持并愿意參與。家庭物理實(shí)驗(yàn)結(jié)束，及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果表明本次活動(dòng)為學(xué)生創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)探究的機(jī)會(huì)，有效地彌補(bǔ)了探究式課堂教學(xué)的不足。

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