低成本物理實(shí)驗(yàn)的研究與開發(fā)

1、低成本物理實(shí)驗(yàn)的研究與開發(fā)嵊州市長(zhǎng)樂中學(xué)邢云開摘要：本文介紹了什么是低成本實(shí)驗(yàn)及它對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的意義，并通過具體實(shí)例從物理原理、實(shí)驗(yàn)材料、操作過程與數(shù)據(jù)處理等方面說明它的特點(diǎn)，本文對(duì)開發(fā)與利用低成本實(shí)驗(yàn)有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn) 低成本實(shí)驗(yàn) 自制教具實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，又是落實(shí)新課程目標(biāo)的重要途徑，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)又是物理教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)，因受學(xué)校經(jīng)費(fèi)不足和設(shè)備缺乏等原因，極大地影響了物理新課程的實(shí)施。積極開展低成本實(shí)驗(yàn)的研究與開發(fā)是解決這一矛盾的有效途徑。所謂低成本實(shí)驗(yàn)指的是價(jià)格低，花費(fèi)少的實(shí)驗(yàn)。教師常使用日常生活用品、廢舊器材等自制低成本物理實(shí)驗(yàn)儀器，用它們代替實(shí)驗(yàn)室專用儀

2、器進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，以此解決儀器短缺難題，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。本文通過具體實(shí)例，說明低成本實(shí)驗(yàn)在物理原理、實(shí)驗(yàn)器材、操作過程與數(shù)據(jù)處理中的特點(diǎn)，從這四個(gè)方面指明低成本實(shí)驗(yàn)研究與開發(fā)的方向。1簡(jiǎn)單的物理原理是靈魂低成本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)與創(chuàng)新，巧妙地將簡(jiǎn)單的物理原理揭示出來，讓學(xué)生深切地感受到物理實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。1.1共振擺的改進(jìn)圖1教材提供的共振擺演示實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是明顯的，但本實(shí)驗(yàn)只能演示擺長(zhǎng)相同的兩個(gè)擺發(fā)生共振的現(xiàn)象。筆者對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，通過調(diào)節(jié)旁邊小球的高度能夠讓中間任一個(gè)小球發(fā)生共振現(xiàn)象。制作時(shí)，在木架兩側(cè)的木條上鉆兩個(gè)等高的小孔，用鉛絲折成“7”字形，水平段穿過

3、木條的兩個(gè)小孔，水平段的中部向下彎折，略低于兩小孔，這樣當(dāng)鉛絲擺動(dòng)時(shí)就能對(duì)系在其上的小球提供周期性的驅(qū)動(dòng)力，水平段用膠帶紙粘貼一長(zhǎng)條形硬紙片，這樣木架內(nèi)部的三個(gè)小球可以用夾子加以固定，并可隨意調(diào)節(jié)高度非常方便。在木架的右側(cè)將金屬小球穿過鋼絲，下方用一螺絲固定。操作時(shí)，調(diào)節(jié)金屬小球的高度，使其與其中一個(gè)小球等高，讓它前后擺動(dòng)，三個(gè)小球受鋼絲周期性的驅(qū)動(dòng)力的作用也前后擺動(dòng)起來，但與圓柱體等高的小球振幅最大，發(fā)生共振。改變金屬小球與中間的另一小球等高，則變?yōu)樵撔∏蛘穹畲?，發(fā)生動(dòng)振。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)可隨心所欲地改變母擺的擺長(zhǎng)，進(jìn)行多次操作，更能揭示共振的本質(zhì)。1.2聲波的干涉演示實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行波的干涉這節(jié)課

4、的教學(xué)時(shí)，常常做這樣的演示實(shí)驗(yàn)：敲擊音叉，讓學(xué)生在音叉的周圍走一圈去感受聲波的干涉現(xiàn)象，但本實(shí)驗(yàn)干涉現(xiàn)象不夠分明。筆者用mp3與電腦音箱配合使用實(shí)驗(yàn)效果良好。本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是如何獲得正弦式圖2音頻信號(hào)。用音頻制作軟件adobe Audition 1.5可以生成任意頻率的正弦式音頻信號(hào)。用該軟件生成多種不同頻率的單聲道正弦音頻信號(hào)并保存為mp3格式，導(dǎo)入mp3播放器確保它能正常播放。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將一對(duì)電腦音箱放在講臺(tái)上，兩者相距約0.5m，mp3播放器產(chǎn)生的音頻信號(hào)輸入電腦音箱，教室里就產(chǎn)生了干涉的聲波場(chǎng)，在教室的每一個(gè)角落，只要觀察者前后左右移動(dòng)頭部，便會(huì)聽到忽響忽輕的聲音，演示效果十分明顯。改變不

5、同的音頻信號(hào)頻率，比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化。本實(shí)驗(yàn)用mp3播放器能方便地實(shí)現(xiàn)播放、暫停、重復(fù)等操作，兩振源的距離可方便地進(jìn)行控制。通過演示，能讓學(xué)生親身體驗(yàn)聲波干涉現(xiàn)象的真實(shí)性。2簡(jiǎn)易的制作材料是軀干低成本實(shí)驗(yàn)有時(shí)也稱簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)易的制作材料構(gòu)成了低成本實(shí)驗(yàn)的軀干。它價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻總能給人以親切感。2.1感應(yīng)起電演示儀圖3靜電實(shí)驗(yàn)是電學(xué)中比較重要的一類實(shí)驗(yàn)，但由于靜電實(shí)驗(yàn)容易“失敗”，許多物理教師往往望而卻步，其中感應(yīng)起電就是其中之一。筆者用椰子汁罐頭和靜電計(jì)組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)收到了很好的效果。制作時(shí)，將兩只靜電計(jì)的金屬球取下，將兩只椰子汁罐頭頂部沿內(nèi)側(cè)挖空，底部鉆兩個(gè)小孔，孔的大小與靜電計(jì)金屬桿

6、直徑相同，將兩只罐頭分別悍接到靜電計(jì)上，如圖3所示，操作時(shí)，將兩只罐頭對(duì)接在一起，用一個(gè)帶電球去接近其中一只靜電計(jì)的底部，發(fā)現(xiàn)兩靜電計(jì)指針張開，移動(dòng)靜電計(jì)底座，將兩只罐頭分離，移走帶電球，兩靜電計(jì)指針依然張開。再將兩只罐頭再次接觸，指針都閉合。本實(shí)驗(yàn)構(gòu)造微不足道，關(guān)鍵是能否想到將罐頭與靜電計(jì)接合起來，發(fā)揮靜電計(jì)在檢驗(yàn)物體是否帶電時(shí)的靈敏特性。2.2靜電除塵演示實(shí)驗(yàn)圖4左圖右圖靜電除塵在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要應(yīng)用，筆者用飲料瓶、細(xì)銅絲、粗銅絲、高壓發(fā)生器（或韋氏感應(yīng)起電器）等制作了靜電除塵演示儀，模擬了靜電除塵的過程。制作時(shí)，取飲料瓶中間一段，在其外側(cè)繞上細(xì)銅絲，繞好后在外側(cè)粘上一層透明膠。鐵架臺(tái)中

7、間的鋼筋套上PVC管起到絕緣的作用，粗銅絲插在瓶中間，將粗銅絲與細(xì)銅絲分別接高壓發(fā)生器的兩極。操作時(shí)，下方點(diǎn)燃多段蚊香產(chǎn)生白煙，如圖4左圖所示。接通高壓開關(guān)后，白煙立即消失，效果十分明顯，如圖4右圖所示。本實(shí)驗(yàn)中，飲料瓶與銅絲等都是極易找到的材料，制作成本低廉。飲料瓶是塑料的，制成后不易捽破；飲料瓶是透明的，在近處可觀察到煙塵的消失瞬間的運(yùn)動(dòng)情況。3簡(jiǎn)便的操作過程顯魅力開發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)，應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)過程的簡(jiǎn)便性，通過事先的設(shè)計(jì)與制作，制成可操作性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的教具，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特魅力。3.1電容器充放電演示實(shí)驗(yàn)圖5教材用電流表來顯示瞬間的充放電過程，實(shí)驗(yàn)容易成功，但缺乏新意。筆者用音樂卡片制成電容

8、器充放電功能演示器，其操作簡(jiǎn)便，演示效果很好。制作需3300uF/25V電解電容器一只、音樂賀卡兩張、干電池兩節(jié)、單刀雙擲開關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干、木板一塊。制作時(shí)，先用word繪制電路圖打印后粘貼在木板上，將電池盒固定在木板上，導(dǎo)線連接處用電鉻鐵焊接，單刀雙擲開關(guān)接線完畢用木螺絲固定在板上。操作時(shí)，將開關(guān)打向1，電容器充電，音樂卡片發(fā)聲，當(dāng)充電完成時(shí)，音樂卡片停止發(fā)聲；開關(guān)打向2，電容器放電，當(dāng)放電完成時(shí)，音樂卡片停止發(fā)聲。充電與放電時(shí)間在半分種左右，并隨充放電電流的減小，發(fā)聲的音調(diào)也逐漸變低。本實(shí)驗(yàn)制成了示教板，使實(shí)驗(yàn)電路圖一目了然，這節(jié)約了實(shí)物連線的時(shí)間，操作也十分便捷。3.2豎直機(jī)械橫波演示

9、儀圖6教材用繩子在水平方向演示機(jī)械橫波，實(shí)際操作很難做成功。筆者用乳膠管、鋼鋸刀片、保險(xiǎn)絲等制作可豎直方向演示機(jī)械橫波的演示儀器。操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象明顯，如圖6所示。繩波波速方程為v=(大學(xué)內(nèi)容)。由于繩子張力T由下而上依次遞增，所以繩子中波速由下而上依次遞增，由v=f得波長(zhǎng)由下而上依次遞增。為解決這一問題，豎直機(jī)械橫波各振子質(zhì)量應(yīng)各不相同，由下到上質(zhì)量依次遞增，設(shè)計(jì)16個(gè)振子，理論計(jì)算各振子的質(zhì)量，用保險(xiǎn)絲做振子將它們依次固定在乳膠管上，上端與鋼鋸刀片連接。操作時(shí)，將裝置豎直放置，手握住上端并周期性擺動(dòng)，形成豎直方向傳播的機(jī)械橫波，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算振子的質(zhì)量與組裝實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)化費(fèi)了不少的

10、時(shí)間，但這換來的是便捷的操作過程，給人以一種美的享受。4快捷的數(shù)據(jù)處理是追求目前DIS實(shí)驗(yàn)數(shù)字化信息系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，能快捷地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但它目前很難在農(nóng)村中學(xué)普及。然而在低成本物理實(shí)驗(yàn)中也有不少能快捷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的優(yōu)秀教具。4.1反應(yīng)時(shí)間尺圖7人教版物理必修一教材有“做一做”欄目通過自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律計(jì)算人的反應(yīng)時(shí)間。但每次實(shí)驗(yàn)都要進(jìn)行計(jì)算才能獲得人的反應(yīng)時(shí)間。基于人的反應(yīng)時(shí)間與下落的高度存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以制作一根反應(yīng)時(shí)間尺，直接從尺子上獲得被測(cè)者的反應(yīng)時(shí)間。筆者制作了一套測(cè)量反應(yīng)時(shí)間的教具，它們由兩張長(zhǎng)短不一的書簽和兩個(gè)分別用廢舊米尺與PVC管制成的反應(yīng)時(shí)間尺組成，如圖7所示。正常人

11、的反應(yīng)時(shí)間在0.15s到0.4s之間，制作短書簽，長(zhǎng)為8cm，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為0.13s；制作長(zhǎng)書簽，長(zhǎng)為20cm，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間為0.2s，用長(zhǎng)短兩書簽做實(shí)驗(yàn)，一人捏住書簽上方，另一人在下方做好抓捏準(zhǔn)備，短書簽的長(zhǎng)度小于人的最小反應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，一般捏不住，長(zhǎng)書簽可以捏住。用Excel軟件計(jì)算出自由落體運(yùn)動(dòng)每隔0.01s下落的高度和下落每隔1cm對(duì)應(yīng)的時(shí)間，用word進(jìn)行精確作圖，電腦打印后粘貼在廢舊米尺與PVC套管上。操作時(shí)，一人A捏住教具上方，另一人B在下方做好抓捏準(zhǔn)備，當(dāng)看到A釋放教具時(shí)，B立即捏住教具，根據(jù)尺子下落的高度，可直接在尺子上讀出B的反應(yīng)時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)可在自由落體這節(jié)課教學(xué)

12、時(shí)進(jìn)行課堂演示，也可指導(dǎo)學(xué)生課后進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，使學(xué)生領(lǐng)悟其中的奧妙。4.2簡(jiǎn)易加速度計(jì)圖8當(dāng)我們乘車時(shí)，怎樣判斷汽車是否做加速運(yùn)動(dòng)呢？一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是用線拴一個(gè)重物，通過線與豎直方向的夾角來判斷汽車是否做加速運(yùn)動(dòng)。按照這個(gè)方法，筆者制作了簡(jiǎn)易加速度計(jì)。取透明的光盤盒，拿掉封皮與內(nèi)心。用紙板按光盤盒大小剪成一個(gè)長(zhǎng)方形紙片固定在盒內(nèi)。用一段紅線拴一個(gè)螺絲作為指針，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律可得加速度與偏角的關(guān)系a=gtan，用Excel計(jì)算出加速度與偏角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按圖8所示在紙板上畫出標(biāo)尺。操作時(shí)，可將加速度計(jì)平放在汽車的窗框上，把汽車的運(yùn)動(dòng)近似看成勻變速運(yùn)動(dòng)，等重物擺動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行讀數(shù)，便可快速獲得汽車加速度的粗略值。按運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法，測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度并不是一件容易的事，本教具巧妙地應(yīng)用動(dòng)力學(xué)的方法，快捷地測(cè)出了運(yùn)動(dòng)物體的加速度?？傊?，低成本