对一例物理学生实验的改进补充

何永健

(甘肃省永昌县第一高级中学,甘肃永昌 737200)

在新编人教版高中《物理》(必修)教材第1册中,“验证机械能守恒定律”的学生实验的装置如图1所示,从教材对此实验设计的思路、步骤、过程等各方面考查:该实验设计表面上看似乎完善精确,符合既定的实验要求,但实际情况却并非如此.由于教材编写者并未完全熟悉所需仪器的性能,实验装置的漏洞较多,缺乏科学合理性,实验的可操作性极差,甚至按照教材装置无法进行实际的操作实验,必须加以合理地改进完善,才能达到预期的实验效果.

1 存在问题

(1)选用仪器的实际性能不符合实验要求.从教材图1所示明显可以看出:在铁架台上固定打点计时器的铁夹是烧瓶夹,即使换用电磁打点计时器所配附夹,由于附夹的长度较短具有容易转动的特点,也是无法把它稳定地固定在铁夹台上.经严格地实验测定电磁打点计时器所受的重力是2.7 N,电火花计时器所受的重力是2 N,而实验时电磁打点计时器只能夹在烧瓶夹的平面部分,两者的接触面积较小,烧瓶夹对计时器所产生的相对压力就难以稳定地固定打点计时器.按照两种计时器的组成结构和其各部分的功能作用,烧瓶夹只能夹在其底座左下角的位置,这样的烧瓶夹和偏下的固定位置,是根本无法夹紧打点计时器的.烧瓶夹所夹位置远离了打点计时器的重心所在位置,存在着一定的转动力矩,实验时随着振针不停地振动作用,打点计时器必然会产生向下转动,甚至会掉在实验台上;若换用电火花计时器也存在同样的问题,它没有墨粉盒的一端厚度达4.2 cm,又远远超过了烧瓶夹所能夹的最大厚度3.5 cm,又如何夹得住?这样的实验装置与仪器的实际结构、作用完全不一致,严重地影响了实验的正常操作.

图1

(2)所夹位置较大偏离了打点计时器的重心位置.教仪厂生产的电磁打点计时器(或电火花计时器)底座宽度只有7 cm,中间凸起,并安装有电感线圈、磁铁等其他配件,而打点计时器的重心位置约在其底座的几何中心位置,底座周围露出边缘部分的宽度左右只有1.7 cm,上下约有1.7 cm,试管夹的宽度为2.6 cm,为了不影响实验的正常操作,烧瓶夹只能选择固定在打点计时器左下角的位置.固定位置极大地偏离了它的重心位置,烧瓶夹的宽度又远远超过打点计时器底座露在边缘的宽度,选择远离其重心的固定位置、用来固定玻璃试管的固定器材,在实验时打点计时器必然会发生向下转动,又如何能起到牢固固定打点计时器、使打点计时器的位置在整个实验过程中稳定保持不变,确保纸带和打点计时器在同一个竖直平面内的作用呢?又如何保证在实验中不损坏打点计时器呢?

2 改进方法

(1)将铁夹台放在实验台上,由铁夹台的底座面和所配的烧瓶夹共同固定打点计时器.如图2所示,把打点计时器的底座竖直立起横放在铁夹台的底座面上,使带有接线柱的一侧面紧贴铁夹台的底座面上,把铁夹台立柱上的垂直夹降低到合适的位置,用烧瓶夹夹住打点计时器的右上角,使其带有限位孔的一端伸出台面,两个限位孔要上下对正,调整打点计时器的底座处于竖直状态.由于打点计时器受到铁夹台的底座面向上的支持力和烧瓶夹的稳定的固定作用,打点计时器被牢固地固定在铁夹台的底座面上,完全符合此实验的实验要求.其他步骤跟教材的要求相同.这样做,既能把打点计时器牢固地固定在铁夹台的底座面上,其底座与运动的纸带保持在同一竖直平面内,同时,学生在实验时也便于实际操作,符合仪器配件的实际结构及其作用,更重要的是培养了学生根据其具体实验仪器灵活合理调整实验方案的创新、合作精神,也避免了教师在教学时根据教材装置因不便于实际操作出现的尴尬局面.同时,实验时一方面要向学生强调说明教材做法不合理的原因,另一方面还要说明改进后的具体步骤,便于学生进行实验,否则,就会引起学生思维地混乱,带来不必要的麻烦!

(2)实验时纸带要舒展.一般中学实验室使用的纸带出厂时为了便于装箱运输,都是卷成圆形的盘在一起的纸带卷,学生实验时由于纸带长期卷曲,直接放入打点计时器中摩擦力较大,而电磁打点计时器工作时受到的阻力要绝对小于2.49×10-2N,而且,打下的迹点也不清晰,因此,实验前教师应要求学生把分发的纸带用手多捋几遍,使纸带由卷曲变得自然平展,以减小实验时的摩擦阻力,使打下的“迹点”更加清晰,也避免了纸带上“拖点”现象的出现.同时,笔者也建议教仪厂生产纸带时选用的材料纸不要过硬、过厚,应选用材料较薄、质地较软、韧性较好的纸张,实验效果会更加清晰明显.

图2

3 结束语

从上述对该实验不足之处的分析探讨中可看出:中学物理教材对各种实验的编排、装置设计应符合大多数中学物理室仪器实际的结构、性能,才能更有利于物理实验教学,否则,只能是“纸上谈兵”,造成实际实验教学中的混乱与不便!同时,此例也说明教材编写与物理实际实验仪器确实存在脱节之处,教材的某些实验设计滞后于实验仪器的改进与发展趋势,建议教材编写人员在编写物理实验内容时,应多深入基层学校、教仪研制院所进行调研,了解收集各种仪器的使用及改进情况,使新编教材实验内容的编写与物理仪器的发展与时俱进,物理教材才更具有科学性和指导性,而现今进行的物理课程改革更应如此,安排设计的实验要与实际生活贴近,要考虑大多数学校的仪器配备实际,才更能实现课程改革的理念意图.而该实验的改进方法,即克服了原实验仪器使用中的不足,完全符合一般中学物理实验仪器的实际结构,又具有操作方便、方法可靠的优点,经笔者多年的实验教学检验证明此方法确实是有效可行的!