黃治海
(常州市第三中學 江蘇 常州 213000)
微小形變的演示實驗可以直觀地呈現(xiàn)出彈力的作用效果,為認識微小形變提供感性素材,可加深對彈力產(chǎn)生條件需要發(fā)生彈性形變的認識.肉眼一般無法直接觀察到微小形變,實驗上利用放大思想,將微小形變轉(zhuǎn)化成肉眼能觀察到的信號,傳統(tǒng)方式有:液柱變化法,帶細管的裝滿水的封閉玻璃扁瓶,通過按壓扁瓶不同部位,可發(fā)現(xiàn)細管中的液面上升或下降;激光反射法,當桌面在外力作用下發(fā)生形變時,激光筆發(fā)射出的激光通過平面鏡兩次反射,光點在接收屏的位置會發(fā)生明顯移動.由于準備和操作較為困難,傳統(tǒng)演示效果難達到直觀、清晰地效果.筆者利用同屏技術(shù)和手機相機功能,能將水平桌面的微小形變直觀、清晰地讓教室里每位同學都能觀察到,解決了傳統(tǒng)演示方式的不足,同時此方式還具有成本低、易操作等優(yōu)點,有較高地推廣價值.此創(chuàng)新實驗設(shè)計獲得筆者所在市區(qū)創(chuàng)新實驗大賽一等獎.
生活中用手機拍攝遠處物體,很難獲得較清晰的畫面,分析其原因不難發(fā)現(xiàn),拍攝時手持手機難免會有微小的抖動,此時手機相機放大倍數(shù)很大,易導致手機屏中畫面有明顯的移動.反之,若將手機放置在水平桌面上,放大數(shù)倍的手機攝像頭對準遠處的參考點,若參考點位置在手機屏中有明顯的移動,可反映出手機位置處桌面發(fā)生了微小形變.
要將手機屏上的畫面“放大”,需借助同屏技術(shù)將手機屏畫面同步到投影屏上,便于教室里所有同學觀察.何為同屏技術(shù)?簡言之,在同一局域網(wǎng)中,將手機屏實時同步到電腦屏上,進而同步到投影屏上,實現(xiàn)3屏同屏.同屏技術(shù)可將手機變成微型移動展臺,教室里的學生可通過投影屏實時地、直觀地看到手機屏中的畫面.
具體操作步驟如下:
(1)筆者利用Total Control軟件實現(xiàn)同屏技術(shù)[1],讓手機、電腦、投影屏3屏同屏;
(2)如圖1所示,實物裝置圖,擺放好手機和粉筆盒,調(diào)節(jié)手機相機放大倍率至最大,并調(diào)整手機和粉筆盒的位置,使“靜”字處在手機屏適中的位置;
圖1 驗證桌面微小形變實物裝置圖
(3)如圖2(b)所示,用力按壓手機前的桌面,手機會向前微小傾斜,對準位置從O點下移至A1點,觀察“靜”字在手機屏中是向上還是向下移動;
(4)如圖2(c)所示,用力按壓手機后的桌面,手機會向后微小傾斜,對準位置從O點上移至A2點,觀察“靜”字在手機屏中是向上還是向下移動.
圖2 驗證桌面微小形變的原理圖
未按壓桌面的手機屏中“靜”字如圖3(a)所示.當按壓下手機前面的桌面時,可知手機對準位置下移,而手機屏、電腦屏中的“靜”字會上移少許,具體效果如圖3(b)所示.當按壓下手機后面的桌面時,可知手機對準位置上移,而手機屏、電腦屏中的“靜”字會下移少許,具體效果如圖3(c)所示.
圖3 未按壓、前面按壓、后面按壓
同屏技術(shù)可實現(xiàn)手機屏、電腦屏、投影屏畫面實時同步,最終在投影屏上將“靜”字上下移動過程清晰地呈現(xiàn)出來,便于教室里所有同學獲取微小形變的感性認知,進而確定,下壓桌面時會使桌面發(fā)生下凹的微小形變.
實驗操作過程中,遇到以下兩個問題:一是,手機側(cè)邊圓滑,無法直接立在桌面上;二是,從圖3可看出,硬質(zhì)桌面的形變信號并不太明顯,能否有更明顯的形變信號呢?
問題一的解決方案:如圖4(a)用兩個長尾夾從側(cè)面分別夾住手機,即可立于桌面上.不管是何種側(cè)邊形狀的手機,都可采用此方式來固定手機,可完美地解決不同手機類型固定的問題.
問題二的解決方案:兩手機結(jié)合,前后放大兩次.具體思路為,用手機拍攝參考“靜”字,放大一次,另用一手機拍攝前一手機屏中的“靜”字,再放大一次,實現(xiàn)兩次放大.如圖4(a)所示,將手機豎立在水平桌面上,打開手機相機并調(diào)節(jié)到最大放大倍數(shù)(6倍),這是第一次放大,可將整個“靜”字顯示出來;再將另一個手機豎立且調(diào)節(jié)相機倍率至最大(5倍),靠近并對準前面手機的屏幕,這是第二次放大,不再顯示整個“靜”字,顯示靜字的部分筆畫.
圖4 二級放大實物圖及未按壓、前面按壓
連接好儀器后,按壓手機前面桌面,前面手機屏中的畫面有不太明顯的上移,后面手機屏中的畫面有較明顯的上移,具體效果如圖4(b)、(c) 所示.實驗時,利用手機同屏技術(shù),可將手機畫面動態(tài)變化過程呈現(xiàn)在投影屏上,直觀地視覺體驗讓學生感受到了物理實驗的魅力.
本實驗靈感來源于手機拍攝遠景不清晰現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了手機相機放大功能,可驗證放置手機的水平桌面的微小形變,并利用同屏技術(shù)將微小形變的“放大”信號動態(tài)地呈現(xiàn)在投影屏上,便于教室里每位同學觀察.本實驗具有以下幾個優(yōu)點:
(1)符合劉炳昇教授“瓶瓶罐罐做物理實驗”的理念.該理念要求原理簡單,學生易于理解,實驗器材來源生活,制作難度小,實驗操作簡單,效果明顯,用小而簡單的實驗解決大問題、復雜問題,達到四兩撥千斤的效果.如此,實驗可更加貼近學生、更易于接受,更具有親和力.
(2)信息技術(shù)融入實驗教學,成本低、易推廣.本實驗中,手機不可或缺,間接反映桌面微小形變,實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗深度融合.本實驗中所利用的同屏技術(shù)借助免費APP,同一局域網(wǎng)通過移動手機4G熱點搭建,無需耗費流量,不用增加經(jīng)濟成本.如今社會,智能手機幾乎人手一部,且都能熟練操作,使用無需培訓學習,教師學習成本很低,因此手機融入實驗教學具有成本低、易推廣等接地氣的特點.
(3)能解決“放大”教室硬質(zhì)講臺桌面微小形變的真問題.真問題的提出,激發(fā)了學生參與課堂思考的積極性,學生提出了“側(cè)邊圓滑的手機如何站立”“如何使放大信號更明顯”等實際問題,通過課后師生的交流討論、不斷地嘗試,找到了用長尾夾固定手機、二級放大形變信號的解決方案,將物理學習自動延伸到實際問題研究當中,大大激發(fā)了學生學習物理的熱情.
筆者在實踐過程中,發(fā)現(xiàn)還有些問題有待進一步研究討論.選取怎樣的參照物,可以使放大信號更加明顯,便于學生觀察?不同手機的選取以及前后位置不同,是否會影響實驗效果?