微型物理演示实验箱的研制与应用

卢荣德，程福臻，孙腊珍，陶小平，黄 环

（中国科学技术大学物理学院，安徽合肥230026）

1 引 言

在大学物理教学中物理演示实验是最重要的手段之一，也是培养学生形成科学的思维，培养科学研究方法的重要途径，是实施素质教育和提高教学质量不可或缺的重要实践环节.微型物理演示实验作为新兴的实验方法和技术，已被国内外物理教学界所采用，并日趋成为今后物理实验改革的方向[1].以微型化为特征的物理演示实验教学，具有安全可靠、节约资源、动脑动手结合等优势.微型物理演示实验的出现和发展，为加强和改善物理演示实验教学，特别为激发学生的探索能力及创造能力的培养提供了广阔的前景.

2 多功能成套微型物理演示实验箱的技术背景

微型物理演示实验安全、省时、节约、经济、操作简易，便于教师演示实验教学实践，实现课堂（动脑）与实验（动手）的结合、交叉、渗透、互补.可从根本上改变教师做学生看、教师讲学生听的传统模式，利于师生进行探究式教学，培养学生的创新意识、创新能力，激发学生学习兴趣，提高实验动手能力[2].微型演示实验在物理课堂教学的普及势在必行，它的特点特别适合探究式的教学，切中物理教材.

在物理演示实验的实践和推广中，关于物理演示实验仪器，虽然现已有多种仪器在实际教学中使用，取得了可喜的成果，但当前的物理演示实验教学中存在下列问题[1－3]：

1）演示实验内容专业口径过窄，导致物理课堂与实验之间缺乏交叉融合.

2）单一化演示实验仪器设备服务学生的容量小、演示实验室附属于课程组或附属于实验组、验证性实验多而自主设计性实验少.

3）演示实验通用教学模式，多是课前将物理演示实验准备好，教师表演、学生观察模式；定性半定量演示实验模式是指教师交代好实验的目的、原理、要求，学生按讲义完成实验.这些实验教师熟悉，实验技术人员有经验，但学生动脑不多，现象观察的程度、思考的深度无从考查，探索性实验、挑战性设计难以落实.

20世纪80年代以后，“大学物理”和“大学物理实验”独立设课.“大学物理”传授物理学的基本概念、基本理论和基本方法；“大学物理实验”传授从实践中获取知识的技能和方法；“演示实验”引导学生观察和分析实验现象，建立物理图像和物理模型，总结规律，是物理教学情境创设不可缺少的手段，是理论与实验教学的桥梁和纽带[4].大学物理演示实验可构建师生理实交融的平台，实现物理演示实验立体化教学体系，对此研制了一套造价低廉、易于推广的微型物理演示实验工具箱.

3 微型物理演示实验箱设计的科学性和新颖性

由于目前国内现有技术中的物理演示实验仪器在实际教学中存在问题，而微型物理演示实验在我国开展十来年，还不能在物理演示教学中普遍推广应用.以此作为切入口，着眼于打通理论教学与实验教学分立设课的壁垒，着重研制和开发符合科学原理，具有多功能性、实用性强、能满足物理演示教学内容的简易标准接口配套微型仪器[3].与国内原有演示实验仪器比较，具有如下优点：

1）仪器具有多功能性，使其种类、数量大为减少，每套有仪器16种共28件，如图1所示，利用率高.

图1 微型成套实验箱内的仪器图

2）仪器连接部位全部采用简易标准接口（非磨口）设计[2]，但又具有磨口仪器安装方便的特点，便于操作，能有效降低仪器成本.

3）每一模块可独立成一套体系，可组装成具有独立的13个原理清晰的微型演示实验[2]，教师可根据课堂教学进展选择1个模块就可方便带入课堂进行演示实验，并可让学生课上、课间操作，或课外活动进行实验设计等多种用途.

4）多功能微型物理演示实验平台[3]，能方便地组装各种微型物理演示实验装置，每模块相关资源可共享，并能使用电压、电流传感器，通过计算机USB接口就可进行实验现象的定量探究.安装时无需螺母固定，调节方便，不用时可方便拆卸、归位.

5）微型物理演示实验模块及配套部件组成的便携式微型物理演示仪器箱，每套件只有相当饭盒的大小（24cm×12cm×11cm）；携带方便，操作可靠、现象明显，整体装载于拉杆箱中，便于整体搬运（质量小于10kg）等特点.

仪器设计精致、配置合理、组装灵活、价格低廉，容易实现授课教师人手一套，由于整套仪器体积小，特别适合教学中实现在普通教室边上课边实验，以达到较好教学效果，从根本上改变了传统演示实验教学模式[5].

4 微型电磁学演示实验箱的构建

微型电磁学演示实验箱是一只拉杆箱装载13个实验模块、电源、附件、实验讲义与光盘以及微型高清网络摄像头（可选）组成.

4.1 微型演示实验箱的电源

高压电源：有了该电源，静电学中许多的演示实验外加设计模块就可实现，如静电屏蔽、哈里波特魔杖等演示实验（可留给学生设计空间）.

该电源通市电经整流变为直流，采用全桥整流滤波，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压.在电阻负载条件下，输出直流电压达到3～5kV，输出电压从0V上升到5kV的响应时间为0.5s左右，具有较快的响应速度，输出电压为5kV时，其最大电压波动小于5%.电源系统具有体积小、稳定性好、响应速度快等特点.如图2所示.还有12V电源盒、1／5／7号1.5V电池、9V方块电池等.

图2 高压电源原理及其装置图

4.2 微型电磁学演示实验箱辅助构件

1）微型电磁学演示实验箱采用拉杆箱，拉杆内置，钢材质，箱体有钢置的骨架，面料防雨，材料的颗粒度大，比较耐磨；轮子内置，橡胶材质，在地上拉时声音小.

2）实验辅助构件结构简单、体积小、操作方便，调节灵活，能够单独、方便地安装各种微型演示实验装置，不用时可拆卸，便于携带，是一种多功能的演示实验装置，有利于微型演示实验的开展.如铁磁材料的居里温度演示实验操作台为支柱设计，可根据需要自由取用，组装样品方便，底座是磁性的直接吸在操作台上，可克服由于微型仪器小而轻，不便于稳定操作，稍不小心易翻倒的弊病.

4.3 微型高清网络摄像头

微型高清网络摄像头具有高速、在宽视场范围内旋转、倾斜运作安静等特点，可快速稳定地自动聚焦及自动曝光来控制背光补偿，特别适用于课堂光线不好的条件下互联网通讯的网络传播应用.微型电磁学演示实验在大课堂实验时，学生可见度低，可通过微型高清网络摄像头将演示实验操作现场互联在大屏幕上，拓展其能见度.

5 典型的电磁学微型演示实验举例

微型物理演示实验仪器箱中配套的仪器虽然不多（只有13种类型），但其功能较强，可帮助师生设计其他的电磁学实验.仪器组装简单、方便、易行，当对其构造、功能有系统认识后，能根据实验原理用它设计出具有创新性的实验方案[4－7]，可收到明显的教学效果，为电磁学探究性学习提供了有效的资源.

5.1 直流电动机的演示实验

如图3所示装置，直流电源（1.5V干电池）置于底座盒子中.转子：用漆包线绕制成矩形线圈做转子，通过开关接通漆包线圈（电枢绕组），使漆包线圈（电枢导体）有电流流过.定子：强力磁铁置于漆包线圈下面的底座上，组装起来如图3所示（电机的磁场）.换向器：线圈引出的导线一端只刮除一半漆膜，另一端全部刮除了漆膜，因此线圈每转1周，只有半周有电流流过，而另半周中线圈没有电流流过.在前半周，线圈中有电流流过，线圈受到作用力，这个力使线圈绕着中间轴线转动.当线圈转到后半周时，线圈中没有了电流，线圈不会受到力的阻碍，它将由于惯性而继续按原来的方向旋转，直到转到下一半周时，线圈中又有了电流，线圈再次受到力作用而继续转动.如此不断反复，转子就不停地旋转.

图3 直流电动机演示

5.2 铁磁材料的居里温度演示实验

如图4所示装置，铁磁质存在居里点，当温度超过居里点后，磁畴瓦解，其铁磁性消失，变为顺磁性.居里点亦称居里温度，不同的铁磁质，居里点不同，如铁的居里点为769℃，而镍的居里点为358℃.将悬挂着的镍片移近永久磁铁，即被吸住，说明镍片在室温下具有铁磁性.用打火机加热镍片，当镍片的温度升高到一定温度时，镍片不再被吸引，在重力作用下回落到平衡位置，说明镍片的铁磁性消失，变为顺磁性.移去打火机，稍待片刻，镍片温度下降到居里点以下，镍片恢复铁磁性，又被磁铁吸住.

图4 铁磁材料的居里温度演示

5.3 法拉第磁生电圆环实验演示

如图5所示装置，1831年法拉第在8月29日的实验日记里记述了“磁生电的实验”：

图5 法拉第磁生电圆环实验演示

1）在磁环上绕有A和B两组线圈，A线圈用3股线绕成，B线圈用2股线绕成.

2）B线圈抽头接成闭合回路，A线圈两端接电池组，当电源接通时，放在闭合回路B附近的小磁针发生了明显摆动；切断电流时磁针摆动方向相反，此效应很短暂，这就是著名的法拉第圆环实验，通常被认为是电磁感应现象的发现，法拉第则把该实验称作电流的感应.

3）改进实验.把绕在硬纸管上的8个线圈并联起来，并把端点接在电流计上，拿起1根磁棒快速插入纸管内，观察到电流计指针偏转了，当快速抽出磁棒，指针又向相反的方向偏转了.磁生电的理想终于实现了（1831－10－17）.

6 教学实践效果

2010年10月中国科学技术大学物理学院电磁学课程组开展微型物理演示实验在课堂教学中应用的研究，物理学院面向全校大二级的16个教学班，学生人数共1 770人参加试验.教师人手一套微型电磁学演示实验教具箱.全部安排在普通教室里按正常的教学秩序同时开展边授课边实验的教学模式改革试验.结果表明试验是成功的，达到了预期教学效果，深受学生的欢迎：将知识传授与实验探索相融合，极大地调动了学生对物理课的兴趣，促进了学生自主学习，激发学生求知欲和创造性.

该仪器特别适合课堂演示实验，便于课堂上边授课边实验，一些演示实验或习题也可运用本仪器由学生自行设计和操作完成.微型实验箱恰似微型的演示实验室，学生也可在课间5min或校内课外活动开展兴趣实验和探索性实验.强化了物理实验在本科生人才培养中的地位与作用，加强了学生对实验现象的物理学根源挖掘和提高了实际动手能力，激发了学生的兴趣和思考，对培养学生的创新精神和安全意识起到潜移默化的促进作用[6].

该套微型电磁学演示实验仪器箱适用于高校电磁学演示实验及各层次专科院校的普通物理电磁学演示实验，能完成电磁学五大系列中典型知识点.而常规演示实验如超导等，可使微型电磁学演示实验与常规演示实验两者取长补短，发挥各自的优势，相辅相成地共同提高物理教育质量.推广微型物理演示实验并不是要用微型物理演示实验全部取代常规演示实验，而是认为微型物理演示实验和常规物理演示实验是物理演示实验的“一体两翼”.在教学应用中，要明确哪些实验可微型化，哪些实验必须通过常规手段来完成.具体操作时，可根据教学目的要求和教学实际来进行确定.

7 结束语

综上所述，普及微型物理演示实验不仅具有显著的安全性和经济效益，而且是实验教学手段的更新，是物理教育中实施素质教育的有效途径，对全面推进素质教育，培养创新精神与实践能力有着重要的意义[7].一套实用性强的微型仪器，对微型物理实验在大学普物教学活动中开展和推广应用，提供了必要的物质技术条件.淡化演示实验和学生实验的区别，强调探究式教学和推进物理普及，为微型物理演示实验在我国的开展和推广提供了可能性.充分发挥微型物理演示实验的功能，为提高大学物理教学质量服务.

[1] 张慧贞.创新物理教材教法理论与锦囊[M].台中：逢甲大学出版社，2007：63－64.

[2] 卢荣德，程福臻，孙腊珍，等.大学物理演示实验动感创新教学平台的探索与实践[J].物理通报，2011（1）：42－45.

[3] 张淑林.营造创新生态环境培养高层次创新型人才[J].中国高等教育，2009（22）：16－18.

[4] 张增明，孙腊珍，张权，等.创新研究型物理实验教学平台的建设[J].实验室研究与探索，2008（12）：7－9.

[5] 卢荣德，程福臻，陶小平.大学物理教学模式的探索与实践[J].教育与现代化，2010（2）：35－39.

[6] 孙腊珍.大学物理实验的研究式教学[J].物理通报，2007，（4）：10－12.

[7] 卢荣德.大学物理数字化演示实验教学平台[J].实验室探索与研究，2006，（4）：56－57.