制作简易小实验，突破物理习题关

王成金

摘 要： 物理学是一门从科学实验中发展起来的自然科学，实验教学在物理教学中有至关重要的作用。教师在设计制作简易物理教具时，制作突破课时重点和解释规律内涵的实验教具较多，为了破解习题的难点而专门设计制作的小实验则较少，作者就后者加以探索与实践。

关键词： 物理教学 小实验 物理习题

庄子曰：判天地之美，析万物之理。物理学是一门剖析万物运动之理、崇尚理性与逻辑、蕴涵美学思想的严谨学科，是一门从科学实验中发展起来的自然科学，实验教学在物理教学中起到至关重要的作用。教师自制简易的实验教具，是对实验室实验器材的补充，具有取材容易、成本低廉的特点，深受师生喜欢。但是，教师在设计制作简易物理教具时，制作突破课时重点和解释规律内涵的实验教具较多，为了破解习题的难点而专门设计制作的迷你小实验则较少。笔者结合多年来的教学实践，就后者谈谈自己的研究与实践。

一、巧做简易小实验，突破力学习题难点

制作简易物理小实验，突破力学习题难点。天地广阔，大有作为。

例1：已知两个分力F、F大小恒定，改变两分力之间的夹角θ，则关于合力F大小的变化情况，下列说法中正确的是（ ）

A.θ角变大时，合力F大小变小

B.θ角变大时，合力F大小变大

C.θ角变小时，合力F大小变大

D.θ角变小时，合力F大小变小

例2：已知合力F的大小恒定，改变两分力F、F之间的夹角θ，则关于两个分力大小的变化情况，下列说法中正确的是（ ）

A.θ角变大时，两个分力都变大

B.θ角变大时，两个分力都变小

C.θ角变小时，两个分力一个变大，一个变小

D.θ角变小时，两个分力都变小

解析：这两道习题是学习“力的合成”时学生的必做题，对于刚刚接触力的合成的高一新生来说，还是有一定难度的。凭借教师的讲解固然能解决问题，但远不如通过小实验的演示给学生的印象深刻，记忆牢固。

对于例1，笔者设计制作了如下草根化小实验。

材料：2mm厚的硬纸板一块，将其剪成拇指宽的纸条五根，细铁丝若干、不干胶彩纸三张。

制作：把五根硬纸条按照平行四边形形状排列，注意平行四边形四条边长短固定。而代表对角线的纸条一端与两分力固定，一端活动。用细铁丝捆扎作扣，形成如图1所示形状。改变两分力间夹角，可得合力大小变化情况。

现象非常明显，令人印象深刻，正确答案AC。

对于例2，笔者设计了如下简易的小实验。

材料：宽度为1cm的薄金属条五根，三种不同颜色的绝缘胶带三卷，固定螺丝两个。

制作：取一根金属条两端打孔，作为合力使用，用红色胶带缠绕（增加实验可视性）。另外四根金属条一端打孔，其中两根用蓝色胶带缠绕作为两个变化的分力，剩余两根用黄色胶带缠绕，作为平行四边形的两条辅助边。把五根金属条按如图2所示组装即可。

先使两条蓝色边（代表两个分力）夹角较小，调节两条黄色边，使四边形对边平行，此时可目测出两个分力的大小。

再使两条蓝色边（代表两个分力）夹角变大，调节两条黄色边，使四边形对边平行，此时也可目测出两个分力的大小。

比较两次分力的大小与其夹角的关系，就很容易得出：当合力不变时，两个分力的大小随其夹角的增大而增大（减小而减小）的结论。

这样避免了讲授的繁琐和疑惑，正确答案AD。

例3：如图3所示，在一个矿泉水瓶子里装上水，只留一小部分空间，水内有一个小气泡。当使瓶子突然向右运动时，下列说法正确的是（ ）

A.气泡将向左运动 B.气泡将向右运动

C.气泡将静止不动 D.气泡将向下运动

解析：这是学习惯性定律时常见的一道难题，学生会机械地运用惯性定律错误地判断答案为选项A。为了突破这个习题难点，仅凭教师理论的分析，学生难以理解，也记不住，还是眼见为实的好。为此笔者设计制作了如图4所示的演示器，轻松地解决了这个难点。

材料：透明塑料水槽（带盖）；乒乓球（为了增加可视性，本实验用蓝色塑料球代替）和实心金属物各一只；吸盘两个；细线若干。

制作：将蓝色塑料球用细线和吸盘固定在水槽底部，将实心金属物用细线和吸盘吊于水槽顶盖上，连接塑料球和金属物的细线留有可调节余地。

向水槽内注入适量水（约为槽容积3/4），调整绳子长度，让塑料球和金属物高度基本一致，如图4所示。

应用：如图5所示，向右快速拉动水槽，可以明显看出，金属物摆动方向向左（与水槽运动方向相反），塑料球运动方向向右（与水槽运动方向相同）。

解析：质量是惯性大小的唯一量度。塑料球、金属物与等体积的水相比，金属球质量最大，惯性最大，运动状态最难改变，最为滞后；塑料球质量最小，惯性最小，运动状态最易改变，最为超前。

如此学生亲自做了实验，观察了实验现象，再用理论分析，便对惯性定律理解得更全面，记忆也更深刻，本题正确答案B。

二、学生自制小实验，领略理论与实践相联系的内涵

百闻不如一见，一见不如体验。学生若能亲身体验题目所描绘的情境，则会认知清楚，终生难忘。

例4：如图6所示，轻质细杆AB一端被铰链固定于竖直墙壁上，另一端与细绳CB和BD连接，绳BD下方与重物相连，已知重物重力为G，且CB与AB间夹角为θ。请用力的分解的知识，画出重物对轻杆AB和细绳CB所施力的方向。

解析这是一道按照力的作用效果进行力的分解的典型例题，习题难点在于学生不知重力对AB杆和CB绳分力的方向，所以就无法利用平行四边形法则做出如图7所示的正确的重力分解图。

如何突破这一习题难点？

笔者大胆改革，让学生课堂上自制小实验，亲身体验重力分力的方向。学生热情高涨，小组合作气氛热烈，许多学生都制作出了如图8、图9所示的小实验，体验到了轻杆对手心的压力（重力的水平分力）；细绳对手的斜向下的拉力（重力的斜向下分力），印象深刻，痛感明显，永生难忘，有效地突破了习题的难点。

三、一“器”多用，突破系列磁场习题难点

1.制作“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”，突破粒子速度大小不变、方向改变的运动类习题难点。

（1）带电粒子在磁场中做圆周运动的半径为多大？

（2）从BC边界射出的粒子中，在磁场中运动的最短时间为多少？

解析：本题的难点在于第（2）问，产生困难的原因之一是：学生头脑中没有形成粒子做圆周运动的空间动态的轨迹变化图，即动态圆，所以就找不到满足题意的临界轨迹图。而设计针对性的迷你小实验是突破此类难点的不二法门。笔者制作了简易的“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”，突破系列此类物理习题难点，教学效果显著。

材料：钢性漆包线、硬纸板（用于画出磁场和边界，在黑板上直接作图也可以）。

制作：用漆包线绕成大小合适的圆环，表示带电粒子在磁场中运动的轨迹（拉扯可动边，可以方便地改变圆周半径的大小）；一端用一条颜色鲜艳的纸制作的箭头，表示进入磁场的速度方向。如图11所示。

2.运用“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”，解决粒子速度方向不变、大小改变的运动类习题难点。

解析：此题需要学生运用“动态圆”方法，想象或描绘出从CD边射出的粒子临界运动轨迹，利用几何关系求出临界轨迹的半径，即可求出满足题意的粒子速度范围。而利用“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”则可以辅助学生思考，顺利找到临界轨迹。

应用：如图16所示：按住结点，保证入射方向不变，拉漆包线的另一端，改变圆环的半径，即可模拟带电粒子以不同大小的速度进入磁场时，从右边界射出的情景。图17、图19为临界轨迹，图18为过渡轨迹。因为几何关系很容易求出临界轨迹的半径，所以速度范围问题迎刃而解。

3.巧用“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”，演示粒子速度方向被约束的运动类习题难点。

例7：如图21所示，在屏MN的上方有磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，P为屏上的一个小孔，PC与MN垂直。一群质量为m、带电荷量为-q的粒子（不计重力），以相同的速率v，从P处沿垂直于磁场的方向射入磁场区域。粒子入射方向在与磁场B垂直的平面内，且散开在与PC夹角为θ的范围内.则在屏MN上被粒子打中的区域的长度为（ ）

解析：此题与例5不同，v的方向被约束在与PC左右夹角为θ的扇形区域内，要求学生具有很强的空间想象力，想象出当粒子沿两条虚线入射时，在MN上交与同一点且离P点最近的临界，当粒子沿PC入射时，与MN交点离P点最远的临界，而这正是本题的难点。利用“带电粒子在匀强磁场中运动的动态变化演示器”，可以清晰地演示出在屏MN上被粒子打中点的运动情况，方便确定离P点的最远点和最近点，其间距即为所求区域的长度。

应用：如图22所示，在一张白纸上先画出题图（也可以在黑板上事先画出）。按住结点，调整好圆半径，让代表粒子入射方向的绿色箭头先对准左边的虚线（如图23所示），此时圆周与MN交点记为N点。以结点为轴使圆周由左向右动态变化，注意观察圆周与MN交点的移动情况。交点先向右移动，当箭头沿PC方向（如图24所示）时，交点离P点最远，记为D点。箭头继续向右转动，发现交点反而向左移动，且当箭头对准右边虚线时，交点与刚开始的N点重合，为离P点最近点（如图25所示）。ND的长度即为所求。

四、基于“突破习题关”的简易教具制作的思考

1.简单易行，物美价廉，培养环保节约的优良习惯。

大道至简，一个好的物理实验教具，在解决问题的前提下，应该遵循物美价廉、简单易行的原则。取材容易，废物利用，符合环保节约的时代要求，有助于习题解决，师生都喜闻乐见。

2.教师主导，学生参与，体现师生合作的教学特点。

基于“习题难点突破”的教具制作不能只是教师的事情，还要充分发动学生参与。发挥他们的创造性，学用结合，有利于知识的巩固和深化。学生在设计制作过程中，思维灵活积极踊跃，有时会设计出令教师惊讶的实验，制作出令人耳目一新的教具，师生合作，其乐融融。

江苏省中小学教学研究室2014年立项课题：《高中物理创新实验和趣味实验开发和利用的研究》课题论文。