低成本物理實驗的研究與開發(fā)

1、低成本物理實驗的研究與開發(fā)嵊州市長樂中學邢云開摘要：本文介紹了什么是低成本實驗及它對中學物理教學的意義，并通過具體實例從物理原理、實驗材料、操作過程與數據處理等方面說明它的特點，本文對開發(fā)與利用低成本實驗有一定的參考價值。關鍵詞：物理實驗 低成本實驗 自制教具實驗教學是物理教學的重要組成部分，又是落實新課程目標的重要途徑，但實驗教學又是物理教學的薄弱環(huán)節(jié)，因受學校經費不足和設備缺乏等原因，極大地影響了物理新課程的實施。積極開展低成本實驗的研究與開發(fā)是解決這一矛盾的有效途徑。所謂低成本實驗指的是價格低，花費少的實驗。教師常使用日常生活用品、廢舊器材等自制低成本物理實驗儀器，用它們代替實驗室專用儀

2、器進行物理實驗，以此解決儀器短缺難題，滿足實驗教學需要。本文通過具體實例，說明低成本實驗在物理原理、實驗器材、操作過程與數據處理中的特點，從這四個方面指明低成本實驗研究與開發(fā)的方向。1簡單的物理原理是靈魂低成本實驗的目的就是通過實驗儀器的改進與創(chuàng)新，巧妙地將簡單的物理原理揭示出來，讓學生深切地感受到物理實驗的真實性。1.1共振擺的改進圖1教材提供的共振擺演示實驗，其實驗現象是明顯的，但本實驗只能演示擺長相同的兩個擺發(fā)生共振的現象。筆者對此實驗進行改進，如圖1所示，通過調節(jié)旁邊小球的高度能夠讓中間任一個小球發(fā)生共振現象。制作時，在木架兩側的木條上鉆兩個等高的小孔，用鉛絲折成“7”字形，水平段穿過

3、木條的兩個小孔，水平段的中部向下彎折，略低于兩小孔，這樣當鉛絲擺動時就能對系在其上的小球提供周期性的驅動力，水平段用膠帶紙粘貼一長條形硬紙片，這樣木架內部的三個小球可以用夾子加以固定，并可隨意調節(jié)高度非常方便。在木架的右側將金屬小球穿過鋼絲，下方用一螺絲固定。操作時，調節(jié)金屬小球的高度，使其與其中一個小球等高，讓它前后擺動，三個小球受鋼絲周期性的驅動力的作用也前后擺動起來，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)生動振。改進后的實驗可隨心所欲地改變母擺的擺長，進行多次操作，更能揭示共振的本質。1.2聲波的干涉演示實驗在進行波的干涉這節(jié)課

4、的教學時，常常做這樣的演示實驗：敲擊音叉，讓學生在音叉的周圍走一圈去感受聲波的干涉現象，但本實驗干涉現象不夠分明。筆者用mp3與電腦音箱配合使用實驗效果良好。本實驗的關鍵是如何獲得正弦式圖2音頻信號。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。用該軟件生成多種不同頻率的單聲道正弦音頻信號并保存為mp3格式，導入mp3播放器確保它能正常播放。實驗時，將一對電腦音箱放在講臺上，兩者相距約0.5m，mp3播放器產生的音頻信號輸入電腦音箱，教室里就產生了干涉的聲波場，在教室的每一個角落，只要觀察者前后左右移動頭部，便會聽到忽響忽輕的聲音，演示效果十分明顯。改變不

5、同的音頻信號頻率，比較實驗現象的變化。本實驗用mp3播放器能方便地實現播放、暫停、重復等操作，兩振源的距離可方便地進行控制。通過演示，能讓學生親身體驗聲波干涉現象的真實性。2簡易的制作材料是軀干低成本實驗有時也稱簡易實驗，簡易的制作材料構成了低成本實驗的軀干。它價格低廉、結構簡單，卻總能給人以親切感。2.1感應起電演示儀圖3靜電實驗是電學中比較重要的一類實驗，但由于靜電實驗容易“失敗”，許多物理教師往往望而卻步，其中感應起電就是其中之一。筆者用椰子汁罐頭和靜電計組合進行實驗收到了很好的效果。制作時，將兩只靜電計的金屬球取下，將兩只椰子汁罐頭頂部沿內側挖空，底部鉆兩個小孔，孔的大小與靜電計金屬桿

6、直徑相同，將兩只罐頭分別悍接到靜電計上，如圖3所示，操作時，將兩只罐頭對接在一起，用一個帶電球去接近其中一只靜電計的底部，發(fā)現兩靜電計指針張開，移動靜電計底座，將兩只罐頭分離，移走帶電球，兩靜電計指針依然張開。再將兩只罐頭再次接觸，指針都閉合。本實驗構造微不足道，關鍵是能否想到將罐頭與靜電計接合起來，發(fā)揮靜電計在檢驗物體是否帶電時的靈敏特性。2.2靜電除塵演示實驗圖4左圖右圖靜電除塵在工業(yè)生產中有著重要應用，筆者用飲料瓶、細銅絲、粗銅絲、高壓發(fā)生器（或韋氏感應起電器）等制作了靜電除塵演示儀，模擬了靜電除塵的過程。制作時，取飲料瓶中間一段，在其外側繞上細銅絲，繞好后在外側粘上一層透明膠。鐵架臺中

7、間的鋼筋套上PVC管起到絕緣的作用，粗銅絲插在瓶中間，將粗銅絲與細銅絲分別接高壓發(fā)生器的兩極。操作時，下方點燃多段蚊香產生白煙，如圖4左圖所示。接通高壓開關后，白煙立即消失，效果十分明顯，如圖4右圖所示。本實驗中，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動情況。3簡便的操作過程顯魅力開發(fā)低成本實驗，應考慮實驗過程的簡便性，通過事先的設計與制作，制成可操作性強、穩(wěn)定性好的教具，體現實驗的獨特魅力。3.1電容器充放電演示實驗圖5教材用電流表來顯示瞬間的充放電過程，實驗容易成功，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)、單刀雙擲開關一個、導線若干、木板一塊。制作時，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，導線連接處用電鉻鐵焊接，單刀雙擲開關接線完畢用木螺絲固定在板上。操作時，將開關打向1，電容器充電，音樂卡片發(fā)聲，當充電完成時，音樂卡片停止發(fā)聲；開關打向2，電容器放電，當放電完成時，音樂卡片停止發(fā)聲。充電與放電時間在半分種左右，并隨充放電電流的減小，發(fā)聲的音調也逐漸變低。本實驗制成了示教板，使實驗電路圖一目了然，這節(jié)約了實物連線的時間，操作也十分便捷。3.2豎直機械橫波演示

9、儀圖6教材用繩子在水平方向演示機械橫波，實際操作很難做成功。筆者用乳膠管、鋼鋸刀片、保險絲等制作可豎直方向演示機械橫波的演示儀器。操作簡便，現象明顯，如圖6所示。繩波波速方程為v=(大學內容)。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得波長由下而上依次遞增。為解決這一問題，豎直機械橫波各振子質量應各不相同，由下到上質量依次遞增，設計16個振子，理論計算各振子的質量，用保險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，將裝置豎直放置，手握住上端并周期性擺動，形成豎直方向傳播的機械橫波，實驗現象明顯。本實驗在計算振子的質量與組裝實驗儀器時化費了不少的

10、時間，但這換來的是便捷的操作過程，給人以一種美的享受。4快捷的數據處理是追求目前DIS實驗數字化信息系統(tǒng)與計算機連接，能快捷地處理實驗數據，但它目前很難在農村中學普及。然而在低成本物理實驗中也有不少能快捷進行數據處理的優(yōu)秀教具。4.1反應時間尺圖7人教版物理必修一教材有“做一做”欄目通過自由落體運動的規(guī)律計算人的反應時間。但每次實驗都要進行計算才能獲得人的反應時間?；谌说姆磻獣r間與下落的高度存在一一對應關系，可以制作一根反應時間尺，直接從尺子上獲得被測者的反應時間。筆者制作了一套測量反應時間的教具，它們由兩張長短不一的書簽和兩個分別用廢舊米尺與PVC管制成的反應時間尺組成，如圖7所示。正常人

11、的反應時間在0.15s到0.4s之間，制作短書簽，長為8cm，對應的反應時間為0.13s；制作長書簽，長為20cm，對應的反應時間為0.2s，用長短兩書簽做實驗，一人捏住書簽上方，另一人在下方做好抓捏準備，短書簽的長度小于人的最小反應時間對應的長度，一般捏不住，長書簽可以捏住。用Excel軟件計算出自由落體運動每隔0.01s下落的高度和下落每隔1cm對應的時間，用word進行精確作圖，電腦打印后粘貼在廢舊米尺與PVC套管上。操作時，一人A捏住教具上方，另一人B在下方做好抓捏準備，當看到A釋放教具時，B立即捏住教具，根據尺子下落的高度，可直接在尺子上讀出B的反應時間。本實驗可在自由落體這節(jié)課教學

12、時進行課堂演示，也可指導學生課后進行設計與制作，使學生領悟其中的奧妙。4.2簡易加速度計圖8當我們乘車時，怎樣判斷汽車是否做加速運動呢？一個簡單的辦法是用線拴一個重物，通過線與豎直方向的夾角來判斷汽車是否做加速運動。按照這個方法，筆者制作了簡易加速度計。取透明的光盤盒，拿掉封皮與內心。用紙板按光盤盒大小剪成一個長方形紙片固定在盒內。用一段紅線拴一個螺絲作為指針，根據牛頓運動定律可得加速度與偏角的關系a=gtan，用Excel計算出加速度與偏角的對應關系。按圖8所示在紙板上畫出標尺。操作時，可將加速度計平放在汽車的窗框上，把汽車的運動近似看成勻變速運動，等重物擺動穩(wěn)定后進行讀數，便可快速獲得汽車加速度的粗略值。按運動學的方法，測量物體運動的加速度并不是一件容易的事，本教具巧妙地應用動力學的方法，快捷地測出了運動物體的加速度。總之，低成本