低成本物理实验的研究与开发

低成本物理实验的研究与开发摘要：本文简介了什么是低成本实验及它对中学物理教学的意义，并通过具体实例从物理原理、实验材料、操作过程与数据解决等方面阐明它的特点，本文对开发与运用低成本实验有一定的参照价值。核心词：物理实验 低成本实验 自制教具实验教学是物理教学的重要构成部分，又是贯彻新课程目的的重要途径，但实验教学又是物理教学的单薄环节，因受学校经费局限性和设备缺少等因素，极大地影响了物理新课程的实行。积极开展低成本实验的研究与开发是解决这一矛盾的有效途径。所谓低成本实验指的是价格低，耗费少的实验。教师常使用平常生活用品、废旧器材等自制低成本物理实验仪器，用它们替代实验室专用仪器进行物理实验，以此解决仪器短缺难题，满足实验教学需要。本文通过具体实例，阐明低成本实验在物理原理、实验器材、操作过程与数据解决中的特点，从这四个方面指明低成本实验研究与开发的方向。1 简朴的物理原理是灵魂低成本实验的目的就是通过实验仪器的改善与创新，巧妙地将简朴的物理原理揭示出来，让学生深切地感受到物理实验的真实性。1.1 共振摆的改善教材提供的共振摆演示实验，其实验现象是明显的，但本实验只能演示摆长相似的两个摆发生共振的现象。笔者对此实验进行改善，如图1所示，通过调节旁边小球的高度可以让中间任一种小球发生共振现象。制作时，在木架两侧的木条上钻两个等高的小孔，用铅丝折成“7”字形，水平段穿过木条的两个小孔，水平段的中部向下弯折，略低于两小孔，这样当铅丝摆动时就能对系在其上的小球提供周期性的驱动力，水平段用胶带纸粘贴一长条形硬纸片，这样木架内部的三个小球可以用夹子加以固定，并可随意调节高度非常以便。在木架的右侧将金属小球穿过钢丝，下方用一螺丝固定。操作时，调节金属小球的高度，使其与其中一种小球等高，让它前后摆动，三个小球受钢丝周期性的驱动力的作用也前后摆动起来，但与圆柱体等高的小球振幅最大，发生共振。变化金属小球与中间的另一小球等高，则变为该小球振幅最大，发生动振。改善后的实验可随心所欲地变化母摆的摆长，进行多次操作，更能揭示共振的本质。1.2 声波的干涉演示实验在进行波的干涉这节课的教学时，常常做这样的演示实验：敲击音叉，让学生在音叉的周边走一圈去感受声波的干涉现象，但本实验干涉现象不够分明。笔者用mp3与电脑音箱配合使用实验效果良好。本实验的核心是如何获得正弦式 音频信号。用音频制作软件adobe Audition 1.5可以生成任意频率的正弦式音频信号。用该软件生成多种不同频率的单声道正弦音频信号并保存为mp3格式，导入mp3播放器保证它能正常播放。实验时，将一对电脑音箱放在讲台上，两者相距约0.5m，mp3播放器产生的音频信号输入电脑音箱，教室里就产生了干涉的声波场，在教室的每一种角落，只要观测者前后左右移动头部，便会听到忽响忽轻的声音，演示效果十分明显。变化不同的音频信号频率，比较实验现象的变化。本实验用mp3播放器能以便地实现播放、暂停、反复等操作，两振源的距离可以便地进行控制。通过演示，能让学生亲身体验声波干涉现象的真实性。2 简易的制作材料是躯干低成本实验有时也称简易实验，简易的制作材料构成了低成本实验的躯干。它价格低廉、构造简朴，却总能给人以亲切感。2.1 感应起电演示仪静电实验是电学中比较重要的一类实验，但由于静电实验容易“失败”，许多物理教师往往望而却步，其中感应起电就是其中之一。笔者用椰子汁罐头和静电计组合进行实验收到了较好的效果。制作时，将两只静电计的金属球取下，将两只椰子汁罐头顶部沿内侧挖空，底部钻两个小孔，孔的大小与静电计金属杆直径相似，将两只罐头分别悍接到静电计上，如图3所示，操作时，将两只罐头对接在一起，用一种带电球去接近其中一只静电计的底部，发现两静电计指针张开，移动静电计底座，将两只罐头分离，移走带电球，两静电计指针仍然张开。再将两只罐头再次接触，指针都闭合。本实验构造微局限性道，核心是能否想到将罐头与静电计接合起来，发挥静电计在检查物体与否带电时的敏捷特性。2.2 静电除尘演示实验静电除尘在工业生产中有着重要应用，笔者用饮料瓶、细铜丝、粗铜丝、高压发生器（或韦氏感应起电器）等制作了静电除尘演示仪，模拟了静电除尘的过程。制作时，取饮料瓶中间一段，在其外侧绕上细铜丝，绕好后在外侧粘上一层透明胶。铁架台中间的钢筋套上PVC管起到绝缘的作用，粗铜丝插在瓶中间，将粗铜丝与细铜丝分别接高压发生器的两极。操作时，下方点燃多段蚊香产生白烟，如图4左图所示。接通高压开关后，白烟立即消失，效果十分明显，如图4右图所示。本实验中，饮料瓶与铜丝等都是极易找到的材料，制作成本低廉。饮料瓶是塑料的，制成后不易捽破；饮料瓶是透明的，在近处可观测到烟尘的消失瞬间的运动状况。3 简便的操作过程显魅力开发低成本实验，应考虑实验过程的简便性，通过事先的设计与制作，制成可操作性强、稳定性好的教具，体现实验的独特魅力。3.1 电容器充放电演示实验教材用电流表来显示瞬间的充放电过程，实验容易成功，但缺少新意。笔者用音乐卡片制成电容器充放电功能演示器，其操作简便，演示效果较好。制作需3300uF/25V电解电容器一只、音乐贺卡两张、干电池两节、单刀双掷开关一种、导线若干、木板一块。制作时，先用word绘制电路图打印后粘贴在木板上，将电池盒固定在木板上，导线连接处用电铬铁焊接，单刀双掷开关接线完毕用木螺丝固定在板上。操作时，将开关打向1，电容器充电，音乐卡片发声，当充电完毕时，音乐卡片停止发声；开关打向2，电容器放电，当放电完毕时，音乐卡片停止发声。充电与放电时间在半分种左右，并随充放电电流的减小，发声的音调也逐渐变低。本实验制成了示教板，使实验电路图一目了然，这节省了实物连线的时间，操作也十分便捷。3.2 竖直机械横波演示仪教材用绳子在水平方向演示机械横波，实际操作很难做成功。笔者用乳胶管、钢锯刀片、保险丝等制作可竖直方向演示机械横波的演示仪器。操作简便，现象明显，如图6所示。绳波波速方程为v=(大学内容)。由于绳子张力T由下而上依次递增，因此绳子中波速由下而上依次递增，由v=f得波长由下而上依次递增。为解决这一问题，竖直机械横波各振子质量应各不相似，由下到上质量依次递增，设计16个振子，理论计算各振子的质量，用保险丝做振子将它们依次固定在乳胶管上，上端与钢锯刀片连接。操作时，将装置竖直放置，手握住上端并周期性摆动，形成竖直方向传播的机械横波，实验现象明显。本实验在计算振子的质量与组装实验仪器时化费了不少的时间，但这换来的是便捷的操作过程，给人以一种美的享有。4 快捷的数据解决是追求目前DIS实验数字化信息系统与计算机连接，能快捷地解决实验数据，但它目前很难在农村中学普及。然而在低成本物理实验中也有不少能快捷进行数据解决的优秀教具。4.1 反映时间尺人教版物理必修一教材有“做一做”栏目通过自由落体运动的规律计算人的反映时间。但每次实验都要进行计算才干获得人的反映时间。基于人的反映时间与下落的高度存在一一相应关系，可以制作一根反映时间尺，直接从尺子上获得被测者的反映时间。笔者制作了一套测量反映时间的教具，它们由两张长短不一的书签和两个分别用废旧米尺与PVC管制成的反映时间尺构成，如图7所示。正常人的反映时间在0.15s到0.4s之间，制作短书签，长为8cm，相应的反映时间为0.13s；制作长书签，长为20cm，相应的反映时间为0.2s，用长短两书签做实验，一人捏住书签上方，另一人在下方做好抓捏准备，短书签的长度不不小于人的最小反映时间相应的长度，一般捏不住，长书签可以捏住。用Excel软件计算出自由落体运动每隔0.01s下落的高度和下落每隔1cm相应的时间，用word进行精确作图，电脑打印后粘贴在废旧米尺与PVC套管上。操作时，一人A捏住教具上方，另一人B在下方做好抓捏准备，当看到A释放教具时，B立即捏住教具，根据尺子下落的高度，可直接在尺子上读出B的反映时间。本实验可在自由落体这节课教学时进行课堂演示，也可指引学生课后进行设计与制作，使学生领悟其中的奥妙。4.2 简易加速度计当我们乘车时，如何判断汽车与否做加速运动呢？一种简朴的措施是用线拴一种重物，通过线与竖直方向的夹角来判断汽车与否做加速运动。按照这个措施，笔者制作了简易加速度计。取透明的光盘盒，拿掉封皮与内心。用纸板按光盘盒大小剪成一种长方形纸片固定在盒内。用一段红线拴一种螺丝作为指针，根据牛顿运动定律可得加速度与偏角的关系a=gtan，用Excel计算出加速度与偏角的相应关系。按图8所示在纸板上画出标尺。操作时，可将加速度计平放在汽车的窗框上，把汽车的运动近似当作匀变速运动，等重物摆动稳定后进行读数，便可迅速获得汽车加速度的粗略值。按运动学的措施，测量物体运动的加速度并不是一件容易的事，本教具巧妙地应用动力学的措施，快捷地测出了运动物体的加速度。总之，低成本物理实验制作的成本虽低，但运用的智慧不低，具有的内涵不低，教育的价值不低。它能极大地调动学生的学习爱好，产生强烈的好奇心，激发巨大的学习动力。因此应大力加强物理低成本实验的研究与开发。参照文献1. 罗星凯中学物理疑难实验专项研究广西：广西师范大学出版社，19982. 姜胜民对声波干涉实验的研究教学仪器与实验，（12）3. 于俊亭共振摆实验的原理剖析与装置改善中学物理（11）