鄭建文

(淳安縣汾口中學(xué) 浙江 杭州 311719)

高中物理實(shí)驗(yàn)涉及物理學(xué)科的各領(lǐng)域，它既能使所學(xué)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中加以體驗(yàn)與應(yīng)用，又能幫助學(xué)生去探究新的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)已成為新課程改革中最為重要的環(huán)節(jié)．

現(xiàn)行的高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在著眾多的弊端：一是很多學(xué)校學(xué)生實(shí)驗(yàn)沒按規(guī)定開足開齊，實(shí)驗(yàn)沒有得到充分重視；二是許多教師不重視演示實(shí)驗(yàn)，而是黑板上“講實(shí)驗(yàn)”，學(xué)生往往感到枯燥無味，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不能在學(xué)生面前充分展現(xiàn)，達(dá)不到教師預(yù)期的教學(xué)效果；三是雖然做演示實(shí)驗(yàn)，但有的實(shí)驗(yàn)單一、乏味，學(xué)生不能從中體會(huì)到做實(shí)驗(yàn)的樂趣；四是有部分學(xué)生課余時(shí)間想到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，但教師不支持等．

多年來，筆者熱愛自己的工作，潛心鉆研實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)了實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，結(jié)合新的教學(xué)理念和我校的實(shí)際情況，對現(xiàn)有的部分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，讓課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正“鮮活”起來．做到巧用信息技術(shù)，轉(zhuǎn)化難做實(shí)驗(yàn).

在現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師經(jīng)常會(huì)碰到一些實(shí)驗(yàn)比較難做，有時(shí)勉強(qiáng)做了也不容易成功．這就使得教師很難有做實(shí)驗(yàn)的積極性，有時(shí)甚至用多媒體技術(shù)替代實(shí)驗(yàn)了事．利用DIS實(shí)驗(yàn)技術(shù)，巧妙地重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，就可以把原來難做的轉(zhuǎn)化為容易做的實(shí)驗(yàn)，使教學(xué)達(dá)到最優(yōu)化．

1 化動(dòng)為靜解決局部難題

案例一：牛頓運(yùn)動(dòng)定律中的超重失重實(shí)驗(yàn)

1.1 特點(diǎn)

超重失重是在運(yùn)動(dòng)中的現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)停止，現(xiàn)象也停止．手提鋼絲圈發(fā)生形變，用紙帶來記憶；物體加速上升，在超重狀態(tài)下，拉力變大，鋼絲圈拉長，紙帶拉斷(“記憶”鋼絲圈形變發(fā)生變化)，來說明超重；物體加速下降，在失重狀態(tài)下，拉力變小，鋼絲圈恢復(fù)原來狀態(tài)，紙帶拉斷(“記憶”鋼絲圈形變發(fā)生變化)，來說明失重；如圖1所示，實(shí)驗(yàn)直觀、簡單、可見度大(上升階段的超重和下降階段的失重很容易做到)；但在上升階段的失重和下降階段的超重不容易體會(huì)，導(dǎo)致學(xué)生分析的難點(diǎn)，巧用DIS可以解決其問題．

圖1 超重、失重演示實(shí)驗(yàn)

1.2 制作材料

φ3 mm鋼絲1 000 mm，夾子4個(gè)，2 kg砝碼，傳動(dòng)線，支架，滑輪，白紙．

1.3 制作方法

(1)截取φ3 mm鋼絲1 000 mm，制作鋼絲圈；用螺絲固定上下、左右夾子．

(2)將白紙剪成條形紙帶．當(dāng)鋼絲圈發(fā)生形變時(shí)，能使固定在它上面的紙帶拉斷．

1.4 操作方法

(1)固定支架、滑輪、傳動(dòng)線．

(2)傳動(dòng)線的一側(cè)固定鋼絲圈，鋼絲圈下掛上砝碼(物體)．

(3)使鋼絲圈不動(dòng)，豎夾紙條；拉傳動(dòng)線，使鋼絲圈勻速上升、下降、豎紙條正常．加速上升(超重)，豎紙條斷．

(4)使鋼絲圈不動(dòng)，橫夾紙條．拉傳動(dòng)線，使鋼絲圈勻速上升、下降、橫紙條正常．加速下降(失重)，橫紙條斷．

2 力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)解決“一閃即逝”不易觀察的問題

案例二：機(jī)械振動(dòng)中的簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加圖線

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加非常抽象而且不便于實(shí)驗(yàn)演示，對學(xué)生的空間想象能力要求較高．

優(yōu)化設(shè)計(jì)：將單擺擺球擺動(dòng)過程中位移變化(銅絲位置)轉(zhuǎn)化為電壓變化，通過電壓傳感器由電腦屏幕直觀描述．當(dāng)擺球運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺球在平衡位置之間的電壓變化，對應(yīng)擺球位移的變化，故所測量的電壓變化曲線即可看作對擺球位移的直觀描述．可演示研究簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加圖線、簡諧運(yùn)動(dòng)的相位圖線等．

2.1 特點(diǎn)

本作品符合新課程實(shí)驗(yàn)理念，所示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容符合科學(xué)原理．本實(shí)驗(yàn)材料制作簡單、取材容易，一般DIS實(shí)驗(yàn)室均能開展．

2.2 用途

(1)研究簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加圖線；

(2)簡諧運(yùn)動(dòng)的相位圖線．

2.3 制作材料

上木板50 mm×250 mm，下木板200 mm×250 mm，φ10 mm鋼筋1 000 mm，φ4 mm鐵絲一段，橡膠塞2個(gè)，細(xì)漆包線1卷，φ20 mm鋼球2個(gè) ，電壓為3 V的小電池盒2個(gè)，φ6 mm銅棒一段，水槽100 mm×140 mm2個(gè)，接線柱4個(gè)，導(dǎo)線一段．

2.4 制作方法及裝置

(1)制作方法

上面板：取木板50 mm ×250 mm一塊，在150 mm處打φ20 mm孔一個(gè)及250 mm處打φ20 mm孔二個(gè)．

下面板：取木板200 mm ×250 mm一塊，固定水槽2套．

支架：上面板和下面板用φ10鋼筋長1 000 mm，上下用螺絲固定．

移動(dòng)桿：用φ4 mm鐵絲一段彎成φ20 mm園環(huán)，另一端固定可移動(dòng)鐵環(huán)上，測面用50 mm螺絲固定．

水槽：用塑料盒兩測固定φ6 mm銅棒長50 mm，接3 V電池盒，對面中間再固定同樣銅棒一根接接線柱固定在下面板上．

單擺：φ0.2 mm漆包線一端穿入橡膠塞(橡膠塞上端正中邊上用刀割一點(diǎn)固定擺線，擺線長度可任調(diào)節(jié))，另一端焊上細(xì)銅絲，塞進(jìn)單擺球內(nèi)，調(diào)節(jié)擺線，細(xì)銅絲能浸在水里，再用導(dǎo)線固定1和3接線柱上．

(2)裝置如圖2所示.

圖2 簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加圖線演示實(shí)驗(yàn)

2.5 操作方法

(1)簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加

1)將礦泉水瓶中的水倒入水槽，使單擺球擺動(dòng)細(xì)銅絲尖端始終水面以下；

2)增加一套單擺裝置設(shè)備，將3只電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二、三通道，單擺1接電壓傳感器1，單擺2接電壓傳感器2，第3只電壓傳感器與兩單擺傳感器并聯(lián)；

3)打開“組合圖線”窗口，添加3條圖線：選取顯示“時(shí)間-電壓1”、“時(shí)間-電壓2”與“時(shí)間-電壓3”三條圖線；

4)點(diǎn)擊“開始”，讓兩單擺擺動(dòng)，得兩單擺擺動(dòng)時(shí)波的疊加圖像或兩單擺反相擺動(dòng)時(shí)波的疊加運(yùn)動(dòng)圖線；

5)點(diǎn)擊“停止”，選中圖線一條，在圖線控制中選取“只控制選擇的圖線”，將圖線向下移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)顯示效果非常好；

6)移動(dòng)移動(dòng)桿，改變某一單擺的擺長，同上得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)研究討論．

(2)簡諧運(yùn)動(dòng)的相位

1)將礦泉水瓶中的水倒入水槽，使單擺球擺動(dòng)細(xì)銅絲尖端始終水面以下；

2)如圖增加一只單擺，將兩電壓傳感器接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道，并分別與兩只單擺連1,3接線柱上，另一端接線柱4；

3)打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時(shí)間-電壓1”與“時(shí)間-電壓2”；

4)點(diǎn)擊“開始”，讓兩單擺擺動(dòng)；發(fā)揮組合圖線功能的優(yōu)勢，即可得到兩單擺不同相位的擺動(dòng)圖線的組合結(jié)果；可演示兩單擺同相擺動(dòng)，也可兩單擺反相擺動(dòng)和兩單擺其他相差擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)圖線．

3 電壓全過程監(jiān)控解決了電容充、放電時(shí)間太短不易觀察的問題

案例三：電容充、放電實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電容儲(chǔ)存電能用靈敏電流計(jì)演示，充電過程瞬時(shí)電流大(無負(fù)載電阻)，易損壞電表指針；放電過程時(shí)間短，不易觀察．運(yùn)用發(fā)光二極管，限流電阻，電容器容量搭配選擇時(shí)間常數(shù)，發(fā)光二極管 (亮暗)在20～30 s之間；利用DIS實(shí)驗(yàn)電壓傳感器，可看到電容充、放電整個(gè)過程．

(1)裝置如圖3所示

圖3 電容充、放電電路

3.1 儀器特點(diǎn)及用途

(1)特點(diǎn).運(yùn)用發(fā)光二極管，限流電阻，電容器容量搭配選擇時(shí)間常數(shù)，在20 s之間；電壓表指針或數(shù)字多用表電壓逐漸變化，顯示電容充、放電整個(gè)過程；取材容易、直觀、穩(wěn)定、實(shí)物投影可見度大，成功率100%．

(2)用途.本教具供中學(xué)電容充、放電教學(xué).

3.2 制作材料及制作方法

電容器，電阻，發(fā)光二極管，開關(guān)，單刀雙擲開關(guān)，電池及數(shù)字多用表等.

由三合板做支架，固定電容器，電阻，發(fā)光二極管，開關(guān)，單刀雙擲開關(guān)，電池及數(shù)字多用表等.

3.3 使用方法

(1)當(dāng)開關(guān)S打到1時(shí)，電容器開始充電，電容兩端電壓為零，充電電流最大(發(fā)光二極管發(fā)光最亮)，隨著充電過程進(jìn)行，電容器兩端電壓逐步上升，同時(shí)充電電流逐步減小(發(fā)光二極管發(fā)光逐漸變暗)，使電容兩端電壓上升，充電結(jié)果，整個(gè)充電過程20 s時(shí)間，解決教材中用靈敏電流計(jì)觀察的難點(diǎn)，使短暫的充電過程時(shí)間適當(dāng)延長．

(2)把S打到2時(shí)，電容開始放電，發(fā)光二極管發(fā)光最亮，隨著放電過程進(jìn)行，電容兩端電壓逐步下降與充電相反，同時(shí)放電電流逐步減小(發(fā)光二極管發(fā)光逐漸變暗)．

(3)增大電容，從復(fù)上述，發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)間更長，電容儲(chǔ)存電能更多,非常直觀．

4 “點(diǎn)測量”轉(zhuǎn)化“線測量” 解決了測力計(jì)讀數(shù)時(shí)間短不具備連續(xù)性的問題

案例四：相互作用中的摩擦力實(shí)驗(yàn)

4.1 特點(diǎn)

(1)利用逆向思維方法，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ亮χ械哪緣K運(yùn)動(dòng)變?yōu)榻佑|平面的運(yùn)動(dòng)，改進(jìn)了教材采用實(shí)驗(yàn)中木塊速度不可控(靠人拉可能不勻速)，平面長度有限等；

(2)巧用DIS實(shí)驗(yàn)，解決了測力計(jì)讀數(shù)時(shí)間短，不具備連續(xù)性，最大靜摩擦力變化效果明顯；

(3)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)普通測力計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、形象直觀，但僅適用靜態(tài)而不適用動(dòng)態(tài)測量，支持“點(diǎn)測量”而不支持“線測量”，同時(shí)缺乏過程監(jiān)控能力．

4.2 制作材料

12 mm×80 mm的木板長2 m，200 mm×800 mm三合板1塊，φ40 mm滑輪2個(gè)，φ30 mm塑料管360 mm，φ8 mm鋼筋500 mm，小軸承2只，二次輪軸1套，12 V直流電動(dòng)機(jī)1只，170 mm×1 200 mm傳送帶1條，木塊2個(gè)，細(xì)線2根，50 g砝碼1盒，砂紙1張，雙面膠1卷，15 V變壓器1只，1 A整流器1只，100 Ω電位器1只，開關(guān)1個(gè)，玩具小車1輛及DIS實(shí)驗(yàn)1套等．

4.3 制作方法(教具裝置如圖4)

圖4 摩擦力實(shí)驗(yàn)

支架：木板做成200 mm×800 mm矩形木框，木框上釘上三合板．

驅(qū)動(dòng)輪：兩側(cè)用φ40 mm滑輪中間取直徑φ30 mm塑料管180 mm長，然后將φ8 mm鋼筋用螺絲固定，傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)不跑偏．

傳動(dòng)軸：取直徑φ30 mm塑料管180 mm長，管內(nèi)兩端嵌入軸承，然后將φ0.8 cm鋼筋用螺絲固定．

變速器：12 V電動(dòng)機(jī)用二次輪軸轉(zhuǎn)換，使驅(qū)動(dòng)輪勻速運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)電位器，傳動(dòng)帶轉(zhuǎn)速變化．

傳送帶：皮帶或皮革．

電源：將變壓器、整流器、電位器、開關(guān)固定三合板底板及面板組成12 V自制電源或低壓電源．

面板：將適當(dāng)大小三合板固定電位器、開關(guān)及力傳感器固定桿，固定在支架上．

4.4 使用方法

(1)最大靜摩擦力

力傳感器固定在固定桿上，接好細(xì)線、木塊放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)選擇示波顯示方式；

開關(guān)閉合，使皮帶運(yùn)動(dòng)，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論(最大靜摩擦力顯示非常直觀)．

(2)摩擦力跟速度大小的關(guān)系

力傳感器固定在固定桿上，接好細(xì)線、木塊放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)選擇示波顯示方式；

開關(guān)閉合，使皮帶運(yùn)動(dòng)，觀察屏幕圖線；

調(diào)節(jié)電位器，改變皮帶的運(yùn)動(dòng)速度，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(3)摩擦力跟壓力的關(guān)系

兩個(gè)力傳感器固定在固定桿上，接好細(xì)線、質(zhì)量相同木塊分別放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器第一、二通道，打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時(shí)間-力1”與“時(shí)間-力2”二條圖線；

開關(guān)閉合，使皮帶運(yùn)動(dòng)，觀察屏幕圖線；

同上述，將其中一塊木塊加上50 g砝碼，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(4)摩擦力跟接觸面的粗糙程度的關(guān)系

兩個(gè)力傳感器固定在固定桿上，接好細(xì)線、質(zhì)量相同兩個(gè)木塊分別放在靜止的皮帶上；

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器第一、二通道，打開“組合圖線”窗口，添加兩條圖線：選取顯示“時(shí)間-力1”與“時(shí)間-力2”二條圖線；

開關(guān)閉合，使皮帶運(yùn)動(dòng)，觀察屏幕圖線；

同上述，準(zhǔn)備兩塊與木塊底面積相同沙紙，將其中一塊木塊底粘上砂紙，另一塊木塊上面粘上砂紙(質(zhì)量相同)，接觸面積相同，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．

(5)滾動(dòng)摩擦力跟滑動(dòng)摩擦力的比較

力傳感器接入數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)選擇示波顯示方式；

力傳感器固定在固定桿上，接好細(xì)線，將玩具小車放在運(yùn)動(dòng)的皮帶上，觀察屏幕圖線；

將玩具小車的輪子卡住，使其在皮帶上滑動(dòng)，觀察屏幕圖線，得出結(jié)論．