创新中学物理演示实验的几点探索

马建玲

(泰山学院物理与电子工程学院，山东泰安 271021)

演示实验一般是配合教学进行的，基本要求之一是确保成功.但在许多情况下，演示实验不是费时太多，就是效果不明显，或实验误差太大，以致难以成功，造成整节课的失败.决定一个演示实验成功有效与否的因素是多方面的，但从实验装置结构方面去分析，造成演示效果不好的可能有:一是为实验提供能源或动力作用的部分可能欠佳或运用不当，如热源放热不均匀，电源内阻过大，平行光源不平行，亮度太弱等;二是实验中观察研究的对象不能显示，如光路显示模糊不清，以致学生观察不到应有的物理现象;三是实验现象显示器失灵或变化幅度太小;四是连接上述三部分用以调控实验条件的器材不灵敏，实验条件不满足.下面从上述四个方面来举例说明我们改进演示实验，提高其有效性的一些做法.

1 对实验动力源进行改进

实验动力源是为实验提供能源或动力作用的部分，如电源、热源、光源、引力或人的手等.如:人教版初中《物理》八年级下册中，这样做“电流的磁效应”实验［1］:在磁针的上面有一条直导线，当直导线触接电池通电时，你能看到什么现象?改变电流的方向，又能看到什么现象?在这个实验中电池为实验动力源，磁针为实验的对象又为实验的显示器，直导线触接电池，从而产生大电流为实验条件，但电源短接不但会引起学生的疑惑，而且不宜多次重复，对此可作如下改进:用多个电容并联组成一个10000uF16V的电解电容，制作一个如图1所示的大容量电容器放电装置，代替干电池，利用电容器放电的瞬时大电流用为实验动力源.这样改进后有以下优点:(1)操作方便简单，可多次充电反复实验，并且这个装置还可用于电流间相互作用等实验;(2)学生容易接受.再如做系列光学实验时，如用普通光源，往往导致光亮度不高，现象不明显，或者实验手续复杂.如果换用价格便宜的激光笔，则效果很显著.如观察水的折射，将激光笔眼沿空玻璃杯的杯口一侧射向杯底的另一侧，记住射在杯底的位置，然后倒水，随着水位变高，射入杯底的位置不断变化，空气和水的分界面上清晰可见光线的偏折;观察三棱镜和玻璃砖对光的折射.三棱镜的全反射、折射光路，是教学中的难点，而换用激光笔就很方便的显示了光路.

2 对实验对象进行改进

实验的对象，指实验中观察研究的对象，如小车、钢球、液体、气体、通电线圈、磁感线等.演示实验无论是设计新实验，还是改进旧实验，都应该使实验对象表现出明显的物理现象，且能更有效地向学生提供感性材料，使之更有益于教学中学生对物理知识的掌握和促进学生学习能力的发展.而九年级物理人教版第129页演示2:大口玻璃瓶内有一些水，水的上方有水蒸气.给瓶内打气，当瓶塞跳击时，观察瓶内的变化.按课本实验设计，本实验瓶内的水蒸气为实验对象，当瓶塞跳击时，瓶内应出现白雾，然而实验现象并非如此，它的致命弱点是瓶塞跳起时，瓶内出现的白雾不明显，有时学生根本看不见.出现此种现象的原因是由于瓶塞和瓶口的摩擦不大，瓶内气压不会太大;瓶内水的蒸发量不够，水蒸气不多，又难以液化;再加上周围气温较高，所以，出现的白雾很少，实验现象很不明显.针对实验弱点，我们改进的措施是:在瓶内注入几滴酒精，再就是选用一个胶塞做瓶塞，以增加摩擦力，用气筒向瓶内打气，打到一定程度，瓶塞跳出，由于酒精蒸气容易液化，在瓶内和瓶口处出现大量“白雾”，现象非常明显，学生非常惊讶，可以收到意想不到的效果.

图1 电容器充放电装置

图2 三维磁感线形状演示

再如，演示磁铁与电流的磁感线，一般都是局限在平面内，使学生对磁感线的形状缺乏整体的印象.美国《物理教师》杂志上曾介绍一种演示三维空间磁感线的形状的方法［2］，材料是小圆柱形磁铁、试管、软木塞、玻璃瓶、铁粉，按如图装配好，晃动瓶子，就能在试管周围形成三维空间的磁感线形状，如图2示.这一演示有利于学生正确认识和掌握磁场的有关概念和规律.

3 对实验现象显示器进行改进

实验现象显示器，是指显示实验现象的装置，如各种测量仪表、刻度、投影、声光元件等.这些装置的选择会直接影响实验的成败，同一个实验、同一种方法选用不同的器材，实验效果将有很大不同.如通常用演示实验来解释和说明电磁感应现象，所用仪器为电流表、线圈、导线和磁棒，实验装置如图3所示.我们知道当磁场变化时会引起线圈中产生电流，或者线圈相对磁体运动时会产生电流.这两种方式都能使穿过闭合线圈的磁通量发生变化，电流表作为显示器用于指示线圈中会有电流产生，从而发生电磁感应现象.在满足发生电磁感应现象的条件下，我们可以将其实验装置进行改进，使演示效果更直观形象，同时实验装置更简单方便.可以用发光二极管来代替电流表，把两个发光颜色不同的发光二极管反向并联后接到线路中，与线圈构成闭合通路，当插入线圈中的磁棒向上或向下运动时，总会有一个发光二极管亮、一个发光二极管不亮的现象产生，这就表明在通路中有电流通过，此电流就是电磁感应现象而产生的感应电流.

内能做功的实验:教材中实验是用软木塞将装水试管口密封，用酒精灯对水加热至沸腾.当管内水蒸气压强足够时，“砰”的一声水蒸气将软木塞冲出，说明利用内能可以对软木塞做功.此实验有两点不足:一是软木塞冲出时，也有高温水蒸气喷出.实验时，尽管管口不朝向学生，由于水蒸气飞溅，对前排学生可能造成事故或惊吓.二是内能做功只表现在软木塞冲出的一瞬间，时间短，不便于学生边观察，边思考和教师边演示，边讲解.改进后的实验装置如图4所示.改进方法:在软木塞中插入一根细玻璃管，用橡皮管套上与针筒连着，用酒精灯烧水至开，产生蒸气推动活塞上升做功，学生看得清楚，更觉有趣而惊喜，从而说明利用内能可以推动活塞上升做功.这种改进后实验的优点是:用医用注射器代替了软木塞，既安全又有趣，演示实验时间较长，效果较好.但实验时，宜先将针筒浸入热水中预热，且注意选用针筒较长的大号注射器，以防止活塞从针筒中脱出而损坏.

图4 内能做功实验的改进

图3 电磁感应现象演示装置

微小形变实验:这个实验的关键是如何让这个微小的形变显示到足以使学生能明示的程度.解决的办法显然只能设法放大，放大的方法有很多如用力学的方法、电学的方法、电子学的方法、光学的方法等［3］，但是最简单的方法还是利用杠杆原理，进行杠杆放大的方法.根据这一思想，设计如图5所示的实验装置.用激光枪做微小形变的实验，用夹子夹住激光枪，桌上置两平面镜，调整角度使光线经两次反射后照于天花板.当用力压桌面时，桌子发生微小形变，由于平面镜的光杠杆作用，对形变进行了两次放大，而天花板对光线而言则是一个斜面，所以又进行了一次放大，演示效果相当显著.

4 对用以调控实验条件的器材进行改进

调控辅助装置是联接上述三部分用以调控实验条件的器材.人教版初中物理九年级关于“摩擦力”的教学，本节课要探究摩擦力大小与什么因素有关，用弹簧测力计匀速拉动木块，使它沿长木板滑动，由二力平衡条件可知，弹簧测力计的读数即为摩擦力大小.这个实验中手为实验动力源又起着调控装置的作用，以满足匀速拉动木块这个实验条件.但由于木块和木板之间凹凸程度不同，接触面之间阻碍作用时大时小，木块难以实现匀速滑动，测力计的读数会忽大忽小，读数困难或不准确.改进方法:教学中将木块用棉布包好，增加了棉布和木板间的柔韧性，木块可以在长木板上做比较准确的匀速直线运动，且可以不用长木板，学生利用课桌表面进行探究性研究，木块运动平稳，读数准确，实验效果很好.

阿基米德原理演示实验，用以探究浮力的大小等于什么.这个实验成功的关键是杯中溢出的水必须完全从杯口竖直流入小桶中，从而准确地测出物体排开液体的重力，才能得到F浮=G排的实验结论.然而由于溢水杯在刚开始溢水和快结束时，因水流很小，水总是从杯口沿杯壁溢出桶外，沿着杯壁流到了桌子上，不能满足实验条件，所以测出的G排总是小于实际的G排，从而导致每次实验误差太大，很难准确地得出实验结论.为解决此问题，可以用一细线拴住一重物，重物放入溢水杯(因细线太轻，不用重物细线会与水一起流走)，细线伸出杯口，实验时，把细线放入桶内如图6示.改进的实验有两个优点:第一，无论水流多小，水总是沿细线流入桶内;第二，利用这种溢水方法，能使物体排开的液体完全溢出，而不会因其他原因，导致每次实验溢水情况不一样，引起过大的实验误差，利用此方法测量G排，实验误差大大减小，实验结论更准确、更可靠，教学效果极佳.

图5 微小形变实验改进

图6 用溢水杯探究浮力大小实验

总之，演示实验是创新物理教学的有效载体，怎样确保演示实验成功有效，让学生在演示实验中学到知识，感受到物理的魅力，这是设计、改进演示实验一个永恒的主题.

［1］课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书物理(初中)［M］.北京:人民教育出版社，2006.

［2］朱铁成.物理教育研究［M］.杭州:浙江大学出版社，2002.

［3］陶洪.物理实验论［M］.南宁:广西教育出版社，1999.