自制教具在中学物理实验教学中的优势

金生华　李志方

物理是一门以实验为基础的学科，学生通过对实验的操作或者是教师通过实验演示，可以帮助学生理解物理现象，揭示物理本质规律。然而，由于新课程的实施，一些必要的实验器材尚未到位，现有的实验器材又不能满足中学物理实验教学的需要，导致许多实验无法进行，或实验效果不佳、不明显。鉴于此，笔者认为提倡教师积极开展物理自制教具的制作，弥补实验仪器的不足，二者优势互补，能较好地完成教学任务。

中学物理涉及力、电、光、热等众多领域，其物理规律精简扼要，现象缤纷绚丽，是一门令学生颇感兴趣的学科。然而很多学生在学了物理后感到物理生涩难懂。造成这一结果的原因有很多，其中与实验有关的原因有二。其一，由于缺乏必要的实验演示器材，教师在传授相关内容时，只能在黑板上讲讲画画，在“黑板上做实验”。可以想象，一个没有亲身去参与的“实验”，学生怎能有感性认识？怎能去开拓思维？怎能明悟规律？其二，随着经济的发展，学校实验教学仪器数量、质量都在提升，但从总体上说，仍不能满足教学的要求。有的实验器材数量仍然较少，学生少有机会去“摸一摸”；或者实验器材性能不佳，导致实验效果不明显。那么，怎样来改善这一境况呢？笔者认为，积极开展物理自制教具的研究和制作，能有效地实现教学目的。一些好的自制教具的实验效果比传统实验的效果要好，有些甚至有可能会成为以后实验器材改进的先导。如何开展物理自制教具的制作，是教师面临的一个新问题。笔者结合自己多年的摸索和实践，谈一些体会。

物理自制教具应遵循的一般原则

首先，自制教具应选材容易，价格低廉。对易找到的器材，学生对其感性认识也往往要强一些。而低廉的价格便于大批量制作，易于普及。其次，教具结构要尽量简单，原理要直观明了，既可揭示物理本质，又便于学生接受。再者，实验现象要明显，能极大地引起学生的注意，激发学生的求知欲，提高教学效率。

物理自制教具的素材来源

源于生活中的自然现象生活中有一些自然现象，如雷电，总是令学生神往而又不可企及。这一现象在教材中解释得很少，学生虽然有实际的生活经历，却总感觉有些遥远。为此，笔者设计一个名为“模拟雷电现象和避雷针原理”的装置（图1），成功地模拟了雷电现象，帮助学生理解雷电现象的实质，更重要的是对学生进行了一场很好的安全教育，将教学价值充分地体现出来。

1）器材及制作。①取木板一块，其上固定一竖直木架，在木架上距离木板10 ㎝和15 ㎝处，左右对称各钻2小孔。②取2块表面平整的金属圆板，一块固定在木板上，模拟大地；另一块固定在一薄木片上，并架在木架上，模拟带电云层。③取“启蒙玩具”中的一塑料树、一幢房、一个人，另外准备2个氖管。将一个氖管两端焊接一定长度的导线，导线另一端各拴一金属片。将氖管置于塑料房中，两导线拉出房外，一端金属片放在房下，另一端金属片放在房上，并用透明胶固定。再将另一个氖管两端焊接一定长度的导线，其中一导线另一端拴一金属片，还有一导线空置。将塑料树、人及氖管固定，氖管置于人胸前，再将空置端导线绕于“树枝”上。④取一细长铁丝，一端磨尖，另一端固定于一金属块上，制成一避雷针。⑤静电高压感应圈一个。

2）实验操作。①将金属圆板架于支架上，静电高压感应圈与2块金属板相连，打开静电高压感应圈开关，只见在两板间“电闪雷鸣”，形象地模拟打雷现象。②切断电源，将“玩具房子”放入两金属板间，再打开开关，只见房顶与“乌云”（即上板）间发生强烈的放电现象，“房子”被“雷击”。学生可以清楚地看到里面的氖管发出耀眼的红光。③将“玩具树”和“人”放入两金属板间，再打开开关，只见树顶与“乌云”（即上板）间发生强烈的放电现象，“树”被雷击，可清楚地看到氖管发出耀眼的红光。说明“树”下避雨易遭受雷击，故下雨时不可在大树下避雨。④再将玩具房子放入两金属板间，并同时放入连同避雷针的防护金属网。再打开开关，只见避雷针与“乌云”（即上板）间发生强烈的放电现象，但玩具房子与上板之间不再发生放电现象，可以清楚地看到里面的氖管也不再发出红光，说明避雷网能保护房子里面的人和物，使人和物“幸免于难”。这就是高大的房子屋顶要架设金属网并接避雷针以防雷击的原因。

3）实验特点：取材容易，现象生动，操控性和趣味性强。

源自课外习题在物理习题中，有些是关于物理实验的情景描述，学生对这些陌生的情景总是感觉无从着手。这时教师可以以此为材料，制作相应的实验器材，帮助学生克服认知困难。

例 如图2所示，把一个可绕水平轴转动的铝盘放在蹄形磁铁之间，盘的下边浸没在水银槽中，将转轴和水银用导线直接接到电源的两极上，则（ ）

A.由于磁场对电流的作用，铝盘将做逆时针转动

B.由于磁场对电流的作用，铝盘将做顺时针转动

C.将电源两极对调，铝盘的转动方向不会改变

D.将蹄形磁铁的磁极对调，铝盘的转动方向不会改变

此问题的难点是：放入磁铁间的不是一根金属棒，而是一个圆盘，从一根棒到一个金属盘面，学生就陷入困惑中。于是先“克隆”一个装置演示给学生看，得到非常好的演示效果，再帮助学生进行相关的理论分析，学生就比较容易接受。在此基础上将圆盘改为导电液体，制成一个名为“旋转的液体”的装置（图3）。当学生看到盘中水快速转动起来时，他们会很兴奋。问其原理，学生由于有先前的知识储备，就非常轻松地说出其中的原由。通过该装置，教师可以让学生感悟“形异质同”的效果，使学生的知识得到有效的延伸。而且该装置也可作发电机模型，在以后的教学中加以应用。

实验特点：实验取材容易，现象明显，并能一仪多用。

源于教材教学内容和阅读材料教材中有些知识离学生的生活是有一定距离的，比如很少发生的或者发生时学生看不见、摸不着的现象，学生在理解时就会感到很抽象。这时，如果有一个好的自制教具，就可以帮助学生经历一个感性认识过程，教学的难点自然也就解开了。如“用旋转发声音叉演示声波干涉现象”的实验，笔者发现实验效果不佳，于是参考其他教师设计的“声波干涉、声速测量仪”，并适当修改，在实验时取得明显的实验效果。学生还利用该仪器较精确地测量出声波在空气中传播的速度。

1）器材制作及实验原理（如图4所示）。①相干声源的产生。利用电脑输出频率已知的正弦音频信号，形成S1、S2相干声源。②选用管径为φ25、φ20的PVC管，其中φ25管做套管，φ20管做插管。将管固定在的木板上，做成示教板（图5）。③S1、S2为压电陶瓷喇叭，喇叭装在橡皮塞内孔里，用橡皮塞封闭管道。④用电脑作信号发生器，在（20～20 000）Hz范围内输出连续可调的“正弦波”。⑤干涉、测量声速原理：用封闭的管道控制相干声源发出声波的传播路径。如图6所示，S1、S2发出声波沿不同的路径传播到P点（管道上开孔处）叠加输出，当波程差Δ=S1P-S2P满足：Δ=kλ，干涉加强（声音强）；Δ=（2k+1）λ/2，干涉减弱（声音弱）（k为整数）。

在本实验中，波程S1P固定，改变波程S2P（即调节U形插管在套管中的插入深度），即可改变波程差Δ，从而改变P点发声的强度。若插管移动λ/2，波程差Δ就改变λ，故在移动插管时，若P点发声强度由最强变化到再次最强，插管移动的距离就是λ/2，这样就可以测出声波的波长。因信号发生器的输出频率是已知的，故根据波速公式V=fλ，就可以测出声波在空气中传播速度。

2）实验步骤。①将电脑信号发生器和示教板功放连接好，接通示教板功放的电源。②调节信号发生器使之输出频率为2 000 Hz左右正弦音频信号，记下声音的频率f，适当调节S1、S2的音量。③缓慢移动插管，即可听到声音强弱交替变化的干涉现象。④在将插管缓慢抽出的过程中，观察插管对应在刻度尺上的位置。先记下某次声音最强时位置，再记下缓慢移动听到第N次声音最强时插管位置，则插管移动的距离为N×λ/2，这样就可以较准确地求出声音的波长λ。⑤根据波速公式V=fλ，求出声波在空气中传播速度。

3）实验特点：演示声波干涉现象，操作简便，效果显著，误差很小，精确度高。

源于对原有实验器材或实验方法的改进随着科学技术的发展，以传感器和微机为基础的数字化实验系统开创出全新的物理实验教学模式。在教学中引入传感器和计算机，不仅有助于学生对复杂系统的理解，而且可以利用系统自动采集和处理数据，使学生有更多的时间用于理解物理实验的原理和本质，所以教师在指导学生完成教材所规定的实验时，应有意识地将学生的视野带入到科技前沿，让学生能够接触并了解这些新技术的原理及应用前景。这对培养学生与时俱进的优秀品质，对社会的发展进步有着非常重要的意义。

例如在传统实验“测量物体速度”中，就是采用纸带和打点记时器，经过直尺测量，计算得出结果。但是该过程数据采集缓慢，处理繁琐，占用大量时间，而且实验误差较大。如果引入速度传感器，就可以更快、更准确地得到实验数据，把更多的精力集中在对物理过程的分析和研究上。利用计算机的即时绘图软件，可以在采集数据的同时把需要的物理图线绘制出来，极大地提高物理实验的效率。

图7、图8是一种运动传感器的原理图。这个系统由A、B两个小盒子组成，A盒装有红外线发射器和超声波发射器，B盒装有红外线接收器和超声波接收器，A盒固定在被测的运动物体上。测量时A向B同时发射一个红外线脉冲和一个超声波脉冲（即持续时间很短的一束红外线和一束超声波），B盒接收到红外线脉冲时，开始计时，收到超声波脉冲时计时停止。根据两者的时差Δt和空气中的声速v，计算机就可以计算出A、B的距离（红外线的传播时间可以忽略）。经过短暂的时间Δt后，传感器和计算机系统自动进行第二次测量，得到物体的新位置。算出2个位置差，即物体运动的位移Δx，系统按照v=Δx/Δt算出速度，显示在荧光屏上。所有这些操作都可在不到1秒的时间内自动完成。在采集到所需要的速度数据后，可以借助软件（如Excel）即时得到v-t图象（图9）。

实验特点：传感器的引入使得实验数据的采集和处理变得快速、高效，同时也使学生开拓视野。

总结

自制教具由于取材容易，价格低廉，易于普及、原理直观等特点，使其在中学物理教学中有着广阔的应用空间。它的使用极大地扩展了教学的实验内容，提升了物理教学的广度和深度，给予学生更大的学习空间，从更深层次上激发他们的想象力、创造力，为中学物理教学添上崭新的一笔。

（作者单位：1 浙江省安吉县高级中学；2 浙江省安吉县教育装备中心）