譚舒心

摘 要：該文以高中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，首先探討了物理學(xué)科和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，指出加強(qiáng)高中物理的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，是物理學(xué)科本身的要求。其次對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)和自制電動(dòng)機(jī)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新性改進(jìn)，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作、使用、評(píng)價(jià)及改進(jìn)等過(guò)程，我們可以領(lǐng)會(huì)科學(xué)的思想方法，培養(yǎng)基本科學(xué)素養(yǎng)，努力提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：高中 物理 創(chuàng)新 實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（b）-0239-02

1 物理學(xué)科與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

正如我國(guó)著名物理教育家、蘇州大學(xué)朱正元教授所說(shuō)“千言萬(wàn)語(yǔ)說(shuō)不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”，物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了物理學(xué)科的重要特點(diǎn)，體現(xiàn)了科學(xué)探究的基本思想和重要方法。物理實(shí)驗(yàn)中所包含的物理觀念、思想方法和實(shí)驗(yàn)技能等方面的素養(yǎng)是科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神形成和發(fā)展的基礎(chǔ)和重要組成部分，因此加強(qiáng)高中物理的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，是物理學(xué)科本身的要求。

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵在于創(chuàng)新，沒有整齊劃一的實(shí)驗(yàn)要求，沒有固定的實(shí)驗(yàn)程序，沒有標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)答案，只要原理正確、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、結(jié)果清晰，都是應(yīng)該提倡的好實(shí)驗(yàn)。這樣的創(chuàng)新過(guò)程為學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展提供了廣闊的空間。學(xué)生也可根據(jù)自身的知識(shí)水平和實(shí)踐能力設(shè)計(jì)切實(shí)可行的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新過(guò)程的艱辛，并在創(chuàng)新中不斷地反思自己、批判自己、提高自己，在實(shí)踐中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而達(dá)到思維發(fā)展與個(gè)性發(fā)展雙贏的局面。

2 探究自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

《自由落體運(yùn)動(dòng)》是以學(xué)習(xí)包的形式呈現(xiàn)，就是讓大家徹底打破固有的學(xué)習(xí)模式，進(jìn)入全新的學(xué)習(xí)方式。以問(wèn)題探討、探索研究和交流小結(jié)為學(xué)習(xí)階段，在老師的指導(dǎo)下自主活動(dòng)，親身體驗(yàn)主動(dòng)獲取知識(shí)的過(guò)程與樂(lè)趣。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

我們已經(jīng)猜測(cè)自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那便可以利用初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來(lái)進(jìn)行探究。探究之前，要對(duì)這些規(guī)律所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選，剔除不合乎情理的、不容易操作的、成功概率極低的，選用器材相對(duì)簡(jiǎn)單并實(shí)施起來(lái)相對(duì)容易的。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

（1）如果用速度和時(shí)間關(guān)系來(lái)探究可以怎樣做？

如果自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那么它的加速度一定是個(gè)定值。除了（0，0）點(diǎn)，可以用實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)出4組，要么比較是否是個(gè)常量，要么用描點(diǎn)法做出圖像，看是否是過(guò)原點(diǎn)的一條傾斜的直線。

用什么實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)測(cè)量速度和相應(yīng)的時(shí)間呢？可以很容易地利用光電門測(cè)出小球下落過(guò)程中任意4個(gè)位置的速度，但從靜止開始下落到這一位置所需要的時(shí)間，按目前高中生所掌握的光電門工作原理，是不能測(cè)出來(lái)的；如果用秒表來(lái)測(cè)，由于精度低，小球下落得又太快，造成誤差大，基本不能做到小球、光電門、秒表計(jì)時(shí)同步的要求，所以，用圖像來(lái)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)操作性較差，具有一定的局限性，不予采用。

（2）如果用位移和速度關(guān)系來(lái)探究可以怎樣做？

可以把小球的位置（20cm、40cm、60cm、80cm）先固定，如圖1所示，只需將4個(gè)光電門安裝在這4個(gè)固定的位置，測(cè)出小球下落到這4個(gè)固定位置上的速度就可以得到4組比較的比值或者畫出圖像即可。由于這種方案最容易操作，誤差相對(duì)較小，所以將采用此方案。

2.4 實(shí)驗(yàn)器材

T型固定支架、豎直軌道、1m長(zhǎng)刻度尺、DIS（4個(gè)光電門、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)）、電磁繼電器、學(xué)生電源、質(zhì)量均勻的小圓柱體。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將1m長(zhǎng)刻度尺固定在軌道上，再將軌道豎直的固定在T型支架上，電磁繼電器安裝在軌道的最高點(diǎn)，用導(dǎo)線和學(xué)生電源相連，將學(xué)生電源調(diào)到3V。（2）將4個(gè)光電門依次固定在豎直軌道的20cm、40cm、60cm、80cm處，連接數(shù)據(jù)采集器的I、II、III和IV的接口，再連接到計(jì)算機(jī)上，打開DIS軟件中的光電門按鈕（注：用刻度尺輕微調(diào)節(jié)4個(gè)光電門的小孔位置，確保小孔位置距離豎直軌道位置大小不變）。（3）閉合電磁繼電器開關(guān)，將圓柱體吸附在電磁繼電器下方。（4）打開DIS通用軟件，電腦會(huì)自動(dòng)跳出4個(gè)時(shí)間空格，點(diǎn)擊“開始”，斷開電磁繼電器的開關(guān)，小圓柱體將從靜止開始下落，電腦自動(dòng)記錄小球通過(guò)4個(gè)固定位置的擋光時(shí)間。（5）重復(fù)實(shí)驗(yàn)4次，之后將同一個(gè)光電門記錄的5組時(shí)間進(jìn)行求平均，再將通過(guò)4個(gè)光門的平均時(shí)間（最后一組）輸入事先設(shè)計(jì)好的Excel表格即可。

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零，加速度為重力加速度的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

2.7 誤差分析

實(shí)驗(yàn)儀器自身記錄誤差、光電門沒有嚴(yán)格固定在固定位置、空氣阻力影響（所以做實(shí)驗(yàn)不要開門窗和電扇）、圓柱體上表面沒有水平導(dǎo)致下落過(guò)程中擋光寬度發(fā)生變化、地面不平導(dǎo)致軌道不豎直等。

2.8 實(shí)驗(yàn)效果及評(píng)價(jià)

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)儀器組裝，有效地驗(yàn)證了自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，避免了教材上提供的實(shí)驗(yàn)誤差大的缺點(diǎn)，成功突破了重難點(diǎn)。在不斷改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，培養(yǎng)、豐富了創(chuàng)造性思維，提高了創(chuàng)新能力，感悟到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的艱辛與科學(xué)家科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度。

3 探究自制電動(dòng)機(jī)模型

3.1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新原因分析

直流電動(dòng)機(jī)的工作原理主要依靠通電電流在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力而使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，但線圈又是依靠什么裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的呢？了解電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，知道每一個(gè)裝置的作用，尤其換向器的作用，是發(fā)現(xiàn)線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的奧秘。沒有換向器，線圈就實(shí)現(xiàn)不了持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，也就無(wú)法將電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到工業(yè)等領(lǐng)域，科技的進(jìn)步也會(huì)受到嚴(yán)重阻礙。此實(shí)驗(yàn)再次體驗(yàn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部換向器對(duì)電動(dòng)機(jī)的重要作用。

3.2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

如圖2所示，一塊釹磁鐵、一節(jié)干電池、一個(gè)寬橡皮筋、兩個(gè)別針、一塊砂布、一個(gè)漆包線繞成的線框。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)原理

通電電流在磁場(chǎng)中由于受到磁場(chǎng)力而使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將兩個(gè)別針?lè)謩e放在干電池正負(fù)極兩端，用橡皮筋固定；（2）用砂布將線框一端的絕緣漆全部磨掉，另一端磨掉一半，黃色部分是磨掉的地方，黑色部分是沒有磨掉的地方；（3）將磨好的線框架在兩個(gè)別針之間；（4）將釹磁鐵放在干電池上，即線框的正下方；（5）輕輕撥動(dòng)一下線框邊緣，線框就會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

3.2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

通電線框因受到磁場(chǎng)力而持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。討論：如果將線框兩端的絕緣漆全部磨掉，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？繼續(xù)實(shí)驗(yàn)：將線框兩端的絕緣漆全部磨掉。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：線框左右轉(zhuǎn)動(dòng)幾次，不能沿一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通電線框每轉(zhuǎn)過(guò)180°，換向器就會(huì)將線框中的電流換向，使線框左右兩條邊受到的磁場(chǎng)力永遠(yuǎn)產(chǎn)生同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的效果。因此，換向器是使通電線框持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去的原因。

3.2.6 實(shí)驗(yàn)效果及評(píng)價(jià)

在絕緣漆被全部磨掉和磨掉一半的兩次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，可以切身體會(huì)科學(xué)家在解決技術(shù)難題時(shí)候的專研精神和探索精神。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今，高考物理越來(lái)越強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)物理基本知識(shí)根源的了解程度，越來(lái)越重視將基本知識(shí)和基本技能轉(zhuǎn)化為能力的考查。沒有實(shí)驗(yàn)作為切入點(diǎn)，只是用“黑板實(shí)驗(yàn)”或“多媒體課件”代替探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程，那么我們學(xué)生勢(shì)必對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的其他狀況一無(wú)所知，也就缺失了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并努力尋求解決辦法的重要思維過(guò)程，也就沒有了將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的過(guò)程，面對(duì)高考，能力又將從何而來(lái)？通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、制作、使用、評(píng)價(jià)及改進(jìn)等過(guò)程，我們可以領(lǐng)會(huì)科學(xué)的思想方法，培養(yǎng)基本科學(xué)素養(yǎng)，努力提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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