吳正飛

【摘要】高中物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)的重要組成部分，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢碇R(shí)直觀地展示給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解物理原理，體會(huì)物理規(guī)律，讓學(xué)生更好地掌握物理相關(guān)知識(shí).實(shí)驗(yàn)器材作為物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，直接影響物理實(shí)驗(yàn)的效果，創(chuàng)新改造實(shí)驗(yàn)器材能夠有效提升整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)的效果，能夠更好地為物理課堂教學(xué)服務(wù).

【關(guān)鍵詞】高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

高中物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)物理規(guī)律的學(xué)科.在高中物理教學(xué)中，借助物理實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢碇R(shí)直觀地展示給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解物理知識(shí).同時(shí)，學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，能夠提升物理知識(shí)的應(yīng)用能力和自主探究能力.在理論教學(xué)中很難達(dá)到此效果，教材中設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)很多并不能充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要作用，需要做進(jìn)一步的改進(jìn)，使其符合物理教學(xué)的需求.

1 高中物理實(shí)驗(yàn)存在的不足

隨著新課程改革的實(shí)施，物理學(xué)科教學(xué)也做出了一定的調(diào)整，更加重視現(xiàn)代知識(shí)與物理理論的結(jié)合，部分地區(qū)也鼓勵(lì)學(xué)校對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)器材加以創(chuàng)新改進(jìn)，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新實(shí)踐能力.對(duì)于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，部分地區(qū)和學(xué)校難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)開(kāi)展率較低、效果不理想、實(shí)驗(yàn)器材老舊落后是在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中較為常見(jiàn)的問(wèn)題［1］.

對(duì)現(xiàn)有高中物理實(shí)驗(yàn)器材加以改進(jìn)，對(duì)傳統(tǒng)儀器作進(jìn)一步升級(jí)和改造，是眾多一線物理教師需要研究的重要問(wèn)題.

2 高中物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要求與途徑

物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新改進(jìn)不是隨性而為的，而是要符合物理學(xué)科的要求.

首先，要具有科學(xué)性，設(shè)計(jì)思想要突出物理原理，能夠更好地演示物理事實(shí)，正確地反應(yīng)物理規(guī)律，客觀地展示物理現(xiàn)象，準(zhǔn)確地揭示其中的本質(zhì)［2］.另外，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材要符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn).

其次，實(shí)驗(yàn)器材的設(shè)計(jì)要具有實(shí)用性，教師可以利用生活中較為常見(jiàn)的生活用品來(lái)改造實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)的器材要能夠長(zhǎng)期使用，具有較好的保存性.最后，改進(jìn)和設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)器材要遵循安全性的原則，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)器材要牢固耐用，避免出現(xiàn)危害使用者身體的危險(xiǎn)情況發(fā)生.

教師在日常教學(xué)中，對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)可以通過(guò)以下幾個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：第一，根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)儀器.在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師經(jīng)常會(huì)碰到這樣的情況，可能會(huì)找不到合適的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)儀器.此時(shí)，就需要教師根據(jù)教學(xué)需求和自身的知識(shí)儲(chǔ)備，來(lái)根據(jù)原有的相似儀器進(jìn)行改制，從而達(dá)到輔助教學(xué)的目的.第二，改造原有的實(shí)驗(yàn)儀器.在實(shí)驗(yàn)中會(huì)有些儀器實(shí)驗(yàn)效果不夠明顯，或者實(shí)驗(yàn)原理不夠突出，達(dá)不到想要的實(shí)驗(yàn)效果，此時(shí)就需要針對(duì)儀器存在的不足之處加以改進(jìn)，使其能夠發(fā)揮出物理實(shí)驗(yàn)的最大作用.第三，對(duì)于專業(yè)水平較高的教師，可以圍繞教學(xué)需求設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，提升課堂教學(xué)效果.

3 高中物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)案例分析

現(xiàn)以“驗(yàn)電器”的改造設(shè)計(jì)為例，從原有儀器的不足、儀器改造設(shè)計(jì)思路、儀器改進(jìn)效果等方面進(jìn)行分析.

3.1 原有實(shí)驗(yàn)分析

驗(yàn)電器是電學(xué)部分中的一個(gè)重要的儀器，它是檢驗(yàn)物體是否帶電的重要儀器.驗(yàn)電器是根據(jù)同種電荷相斥的原理制成的.它是將一對(duì)輕薄的金屬箔片懸掛到金屬支架上，當(dāng)靠近帶電物體時(shí)，金屬箔片就會(huì)在靜電感應(yīng)的作用下帶電，使箔片張開(kāi).其中，箔片張開(kāi)的角度的大小就直觀地反映出箔片所帶電量的多少.

需要注意的是，無(wú)論是帶正電還是負(fù)電，金屬箔片都會(huì)張開(kāi)，通過(guò)傳統(tǒng)的驗(yàn)電器無(wú)法對(duì)其進(jìn)行判斷，進(jìn)而也無(wú)法向?qū)W生講解電荷分離和電荷流向的相關(guān)知識(shí).

另外，懸掛金屬箔片的傳統(tǒng)驗(yàn)電器的靈敏性，依賴于金屬箔片的安裝工藝，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一定的影響.很多教師為了提升金屬箔片的靈敏度，會(huì)將其替換為更加輕薄的箔片，這樣雖然增加了其靈敏度，但是受環(huán)境振動(dòng)和氣流的影響會(huì)變得更加明顯，有悖于實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性.

在實(shí)驗(yàn)中，將摩擦起電的玻璃棒和橡膠棒接近驗(yàn)電器的實(shí)驗(yàn)，只能夠驗(yàn)證它的帶電特性，并不能夠?qū)⒔z綢或者皮毛上的異號(hào)電荷展示出來(lái)，以至于電荷運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致電流的現(xiàn)象無(wú)法有效展示.

3.2 改進(jìn)思路

為了能夠克服傳統(tǒng)驗(yàn)電器的不足，不少學(xué)者利用半導(dǎo)體電子元件改造了高靈敏驗(yàn)電器——電壓探測(cè)器、電流探測(cè)器.電壓探測(cè)器是通過(guò)測(cè)量帶電物體周圍的電勢(shì)與地電勢(shì)的差來(lái)確定帶電物體的電性.電流探測(cè)性則是通過(guò)金屬探頭靠近帶電物體，就會(huì)使得探頭與驗(yàn)電器之間有極其微弱的電流流過(guò)，其本質(zhì)上就是一個(gè)靈敏度極高的電流計(jì).

新設(shè)計(jì)的驗(yàn)電器雖然更加靈敏，但是它們都是單個(gè)極性的，測(cè)量正電勢(shì)的電壓探測(cè)器不能夠顯示負(fù)電勢(shì)，測(cè)量正向電流的的三極管探測(cè)器不能夠測(cè)量負(fù)電勢(shì)，教師在使用的時(shí)候，需要同時(shí)準(zhǔn)備兩種探測(cè)器，并且，這些探測(cè)器的擺放要求較高，不符合簡(jiǎn)單便捷的需求.

為了更好地為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供服務(wù)，教師將一對(duì)不同的探測(cè)器擺放到一起，并盡可能地將其靈敏度提升.首先，如果教師利用電壓探測(cè)器來(lái)設(shè)計(jì)，其探測(cè)探頭與遠(yuǎn)端接地之間的電勢(shì)差不好控制，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性不強(qiáng)，不符合嚴(yán)謹(jǐn)性的實(shí)驗(yàn)理念.因此，可以選擇晶體三極管為主材料來(lái)設(shè)計(jì)驗(yàn)電器.該驗(yàn)電器使用兩個(gè)10Ω的電阻、兩個(gè)8mm（0.5W）的LED燈珠，具體設(shè)計(jì)如圖1所示.

3.3 工作原理介紹

當(dāng)帶有正電荷的物體靠近探頭時(shí)，圖示上方探頭A上的正電荷就會(huì)被排斥走，就會(huì)有微弱的電流經(jīng)過(guò)T1，此時(shí)的T1、T2、T3就會(huì)起到一個(gè)放大器的作用，將原來(lái)極微小的電流進(jìn)行放大，進(jìn)而使得LED1發(fā)光.

同時(shí)，探頭B也會(huì)有電流產(chǎn)生，但是因?yàn)門4的反向偏置作用，電流不能夠發(fā)揮它的作用.如果帶有負(fù)電荷的物體靠近，則工作原理同上.當(dāng)帶正電荷的物體遠(yuǎn)離探頭時(shí)，LED2就會(huì)發(fā)光，當(dāng)帶有負(fù)電荷的物體遠(yuǎn)離探頭時(shí)，LED1就會(huì)發(fā)光.為了更好地展示實(shí)驗(yàn)效果，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇顏色不同的LED1和LED2兩個(gè)燈泡.

3.4 設(shè)計(jì)與制作

在改良設(shè)計(jì)的驗(yàn)電器中，晶體管可以選擇功率較小的NPN/PNP晶體三極管，起到放大作用的T1、T2和T4、T5放大倍數(shù)盡量選得高一些，限流的電阻至少要10MΩ.各元件之間的放置距離要分開(kāi)，盡量不要將元器件直接放置在耐熱性較差的亞克力材料上.可以通過(guò)鉆孔的方式將元器件的腳固定住.各連接點(diǎn)連接以后，要用膠水或石蠟作進(jìn)一步固定，驗(yàn)電器的金屬探頭選擇兩根粗為0.5mm，長(zhǎng)為15cm的漆包線，并通過(guò)筷子支撐好.電池盒選擇兩組1.5V×4的電池組，具體成型如圖2所示.

3.5 改造后實(shí)驗(yàn)儀器的應(yīng)用

改造后的驗(yàn)電器靈敏度較之前的更高，不僅能夠驗(yàn)證物體所帶的電荷量，還能夠辨別出物體所帶的是正電荷還是負(fù)電荷.在新的課程標(biāo)準(zhǔn)中，要求在靜電部分學(xué)習(xí)的內(nèi)容中，不僅能夠了解靜電現(xiàn)象，通過(guò)多種途徑讓物體帶電，并且能夠觀察、分析靜電現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)中，教師將通過(guò)摩擦起電的玻璃棒靠近驗(yàn)電器的金屬探頭，會(huì)看到LED1燈發(fā)光，當(dāng)玻璃棒逐漸離開(kāi)金屬探頭時(shí)，LED1燈就會(huì)熄滅，LED2燈就會(huì)發(fā)光.將玻璃棒來(lái)回在金屬探頭附近擺動(dòng)時(shí)，LED1燈和LED2燈會(huì)交替閃爍.將毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒重復(fù)以上操作時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)相反的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

由于LED1燈和LED2燈選擇的是不同的顏色，???? 能夠更好地辨認(rèn)出物體所帶電荷的種類.

改造后的驗(yàn)電器具有更高的靈敏性，在摩擦起電的實(shí)驗(yàn)中，教師會(huì)告訴學(xué)生摩擦起電并不是憑空產(chǎn)生電荷，而是電荷分離的過(guò)程，當(dāng)兩個(gè)物體摩擦?xí)r，就會(huì)產(chǎn)生相反符號(hào)的電荷.在利用玻璃棒和絲綢摩擦后，將玻璃棒和絲綢分別靠近驗(yàn)電器，能夠發(fā)現(xiàn)兩種不同的電荷導(dǎo)致的不同現(xiàn)象，能夠充分說(shuō)明玻璃棒與絲綢上所帶電荷不同.

研究摩擦起電的另一個(gè)重要任務(wù)就是需要探究摩擦起電的順序，受傳統(tǒng)驗(yàn)電器靈敏性的限制，教師很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的形式向?qū)W生直觀地呈現(xiàn)起電順序，教師借助改良后的繼電器就可以完成對(duì)玻璃、橡膠、絲綢、布、皮毛、木材等材料的起電順序，也可以以驗(yàn)證的方式來(lái)展示下列物品的帶電情況，見(jiàn)表1.

4 結(jié)語(yǔ)

高中物理實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)是實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基礎(chǔ)，是提高物理實(shí)驗(yàn)效果的重要保障.改良后的實(shí)驗(yàn)儀器，能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下不能夠在課堂上開(kāi)展的一些實(shí)驗(yàn)落到實(shí)處，將這些抽象的知識(shí)內(nèi)容形象具體化，幫助學(xué)生更好地理解這一部分知識(shí).另一方面，通過(guò)不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，能夠促進(jìn)教師自身素質(zhì)的進(jìn)一步提升，豐富學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)資源，從而更好地為物理課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù).

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