低成本实验在物理解题中的应用

吉临荣 任长富

摘 要：在解物理习题时，如果能利用身边简易的文具作器材，做一些简易的实验，变抽象思维为直观思维，可以解决一些物理难题和易错题。这种把低成本实验迁移到中考考场的做法，也是实验思想和实验功能的进一步升华。

关键词：低成本；实验；解题

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）4-0058-4

有些中考题，单凭动脑想像，很容易出错，甚至有时还找不到解决问题的思路。如果能借助自己身边的学习用品，做一些低成本实验，变抽象思维为直观思维，难度就明显降低，而且有“柳暗花明又一春”的感觉。现举例如下：

例1 如图1所示为小孔成像的实验，当物体做顺时针转动时，像将做 （选填“顺时针”“逆时针”）转动。

解析 不少学生根据小孔成倒立实像的特点判断，物体做顺时针转动，那么像就做逆时针转动，不知不觉中就错了，而且不能够检查出错误。

如果通过这样的低成本实验，就能很好地解决此问题。先取两支外形相似的笔A和B，把笔A的笔尖朝上放置作为物体，笔B的笔尖朝下放置作为像，这样像与物体是倒立关系；再把作为物体的笔A顺时针转动90 °到达笔尖向右的位置，作为像的笔B的笔尖要到达笔尖向左的位置，必须顺时针转90 °，如图2所示。由此可见，像和物体是同方向转动的。

例2 （江苏无锡中考题）在探究凸透镜成像规律时，小明用9个红色的发光二极管按“F”字样镶嵌排列在白色方格板上替代蜡烛作为光源，又用同样的白色方格板做成光屏，实验使用的凸透镜焦距为10 cm，实验装置如图3所示。

（4）光源“F”放在15 cm处，其大小如图4所示，凸透镜固定在光具座零刻度线上。如果用遮光罩将凸透镜的上半部分罩住，则光屏上所成的像是（ ）

解析 本题共4个小问题，最容易错的是第（4）问，错误率极高，多数师生都难以正确理解。用遮光罩将凸透镜的上半部分罩住不影响像的整体性，只影响像的亮暗，对于这一点学生不容易错。根据凸透镜成倒立实像的特点判断，“倒立”的含义是上下、左右都颠倒，“F”的倒立像就是答案C；也有学生在纸上写出“F”，再把纸旋转180 °得到C答案。但这个答案是错误的。

我们在实验室做实验时是从左向右看的，本题的关键是“用9个红色的发光二极管按F字样镶嵌排列在白色方格板上替代蜡烛作为光源”，白色方格板是不透明物体，我们看到的F是从右向左看的，而不是从左向右看的，怎样解决这一新情境问题呢？

可以做这样的低成本实验帮助我们理解：在一张白纸上写上“F”，将纸竖直放置且从右向左看是F（如图5），如果我们还以平常实验的角度从左向右看，透过纸的背面看到的是如图6，但由于纸是不透明物体，我们不能继续向右看到像，此时可以再在纸上写出“”，再将其旋转180 °，就得到像，如图7所示，正确的答案是选D。

解析 此题涉及的考点是运动与静止的相对性，但学生在判断村庄运动时，认为汽车在向右运动过程中，村庄与电线杆的距离没有变化，所以村庄相对于电线杆静止。同理，在判断小树运动时，小树相对于电线杆的距离没有变化，处于静止状态。最后一空也因此无法判断，只好在顺时针和逆时针中随意猜填一个答案。

可做这样的随手实验：拿出两支笔，一支笔作为“电线杆”，另一支笔首先放在第一支笔的前方作为“村庄”，人头从左向右移动相当于人站在向右行驶的汽车内，可以观察到“村庄”相对于“电线杆”向右运动；再将另一支笔放在第一支笔的后面作为“小树”，人头从左向右移动，可以看到“小树”相对于“电线杆”向左运动；综合“村庄相对于电线杆向右”“小树相对于电线杆向左”可知，此时电线杆周围的景物看起来好像在绕电线杆做顺时针运动。

其实，机械运动的定义是“一个物体相对于另一个物体位置的改变叫做运动，若位置没有改变，就是静止”，这里关键是对“位置”的理解，“位置”不仅包含“距离”的含义，还包含“方位”的含义。本题“村庄”和“小树”相对于“电线杆”的距离不变，但方位发生了变化。

解析 这是一道由考查“重力的方向总是竖直向下的”引申判断地面倾斜度的中考题。由悬线偏向两次判断地面倾斜有一个思维转换，在两次转换的过程中，学生容易出错。

可做这样的低成本实验：拿一只三角板和一支铅笔，把铅笔的一端轻压在三角板的顶端，以便铅笔在重力作用下可以自然下垂而且偏转。此时，把铅笔当作细棉线和小铁球做的重垂线，把三角板的竖直角边当作立柱，三角板的横直角边当作地面。首先，按图10（甲）把三角板东西方向放置，人由南向北看，使铅笔的下端偏向三角板竖直线的左侧，如图11，可发现三角板竖直角边偏向西。然后，按图10（乙）把三角板南北方向放置，人由西向东看，使铅笔的下端偏向三角板竖直线的右侧，如图12，可发现三角板竖直角边偏向南。综上所述，立柱向西南方向倾斜了。

拓展 此题不但可以探究物体的偏斜方向，还可以进一步转换判断地面的水平程度。另外，此题还涉及到一个观察方向的问题，对于不透明的“立柱”，只有一个观察方向，如果是两面可以观察的透明体，那么当三角板东西方向放置，使铅笔的下端偏向三角板竖直线的左侧，人由南向北看，物体是偏向西，若人由北向南看，物体是偏向东。务必要厘清此类问题的变式情境。

例5 （青海西宁中考题）市区街道两旁可看到如图13所示的公益广告牌，它可看作一个处于平衡状态的杠杆，在图中画出使它平衡的力的力臂（支点选在A点或B点，并正确画出力臂，同样得分）。

解析 本题的难点是确定动力的方向（假设广告牌的重力是阻力），根据题目的提示，支点可以选在A点，也可以选在B点，有了支点、动力、阻力，动力臂和阻力臂也就好画了。

突破这个难点，可以做这样的低成本实验：取出考试垫板（没有垫板，也可取一张纸），首先用手轻轻抓住考试垫板上端的一角，相当于以广告牌的A点作支点，这时考试垫板自然下垂成如图14，要使垫板呈平置状态，必须在B点施加一个向左的推力，由于这个推力属于压力，所以方向水平向左，这就是动力F1，如图15。由此作出以A为支点的杠杆示意图16。

同样，用手轻轻抓住考试垫板下端的一角，相当于以广告牌的B点作支点，这时考试垫板自然下垂成如图17，要使垫板呈平置状态，必须在B点施加一个方向水平向右的拉力，这就是动力F1，如图18。由此作出以B为支点的杠杆示意图19。

在做上述实验的基础上，会作出广告牌的两种杠杆示意图，当遇到新情境题时，也就迎刃而解了。

如江苏省无锡市2014年中考第24题：有一电热水器，质量为20 kg，装满水后的总质量为70 kg。如图20是电热水器安装的尺寸及其受力示意图，在竖直方向上热水器受到挂钩拉力F2和重力G，在水平方向上热水器受到膨胀螺钉对它的拉力F1和墙壁对它的支持力F3（g取10 N/kg）。该热水器装满水时，膨胀螺钉的拉力F1是多大？

这道中考题呈现了4个力F1、F2、F3、G，有些学生试图从水平方向的力相等、竖直方向的力相等角度思考，结果因找不到两个方向上力的关系而“卡壳”，实际上也超出了初中物理的学习范畴。

如果有了做低成本实验的意识，并能正确建构悬挂体的两种杠杆示意图，就会将电热水器实物向杠杆模型转化，理解F1、F2、F3存在的意义，由图中的隐含条件“O”点，就知道此时的杠杆支点在O，进而知道动力是F1、阻力是G，280 mm和200 mm分别是动力臂和阻力臂的长度，F2、F3是多余的、干扰的条件，这样就能挖掘隐含条件、选出有用条件进行解题。根据杠杆平衡条件F1L1=F2L2得，F1=F2L2/L1=GL2/L1=mgL2/L1=70 kg×10 N/kg×0.2 m/0.28 m=500 N。

借用身边的学习用品，在考试现场做一些低成本实验，不但可以解决一些物理难题，而且培养了学生动手实验的意识，这正代表着当前物理实验教学的发展方向。

参考文献：

[1]李春密，顾江鸿.国外实验教学效果研究及其启示[J].物理教学探讨，2013，31（5）：1—4.

[2]雷庆，陈朝勇，张春国.哈佛大学实验教学及其对我国物理实验教学的启示[J].物理教学探讨，2013，31（7）：40—42.

[3]苏增德.做好小实验，扫除解题障碍[J].物理教师，1994，15（9）：56—57.

[4]蒋天林. 利用纸的剪、折、拼巧解物理题[J].中学物理教学参考，2004，33（9）：37—38.

（栏目编辑 王柏庐）