可视化演示实验两则

刘信生 张贵林

摘   要：物理教学关键在课堂，课堂教学的抓手在实验创新，可视化实验教学要求我们有更优的教学器具，让学生能在实验过程中调动各种感官，在形象思维中高效学习。笔者自制“杠杆平衡演示仪”和“多功能验电器”教具，将它们应用在实际教学过程中，进一步证明了可视化实验教学对课堂教學的促进作用，激发了学生积极思维的品质，提升了学生的核心素养。

关键词：可视化实验;自制教具;教学效果

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）5-0046-4

物理学是一门以实验为基础的科学。笔者针对初中学生的认知特点，开发一些可视化的演示实验，以激起学生的好奇心。

本文介绍笔者自制的科技创新作品“杠杆平衡演示仪”和“多功能验电器”。

1    杠杆平衡演示仪

1.1    设计思路和原理

初中物理教材杠杆平衡条件探究实验中力臂概念是教学的难点。笔者看到工地上有一种激光十字仪，它的两条激光线始终垂直。根据这个特点，笔者设法将其用到教具上。调节激光灯头使一条激光线a过杠杆的支点，另一条激光线与动力（或阻力）作用线b重合，那么力臂就是支点到力的作用线的垂直距离，这个线段完全由激光线呈现出来;再设计一个能绕支点任意转动（支点处为零刻度线）的不锈钢毫米刻度尺，使钢尺与a线重合，能够方便读出力臂大小。

1.2    器材的结构和组装

主体结构：不锈钢毫米刻度尺6把（量程

30 cm）、木质演示杠杆、测力计（0～5 N）、重垂线、免漆板等。

辅体结构：光具座、红外线激光十字仪、充电宝、伸缩天线杆，如图2所示。

①在免漆木工板的中心固定轴上安装一根长方体木条，表面嵌有两把不锈钢刻度尺，使两把尺子的零刻度线与转轴重合。

②在相同的转轴上，长木条前方再安装演示杠杆，让其自由转动，转轴下悬挂一枚小重锤。

③在免漆木工板上方安装一个窗帘滑道，滑道内有一金属滑块，滑块可以在窗帘滑道上左右移动。在滑块前后方向打一小孔，插入一带有螺母的细螺丝。螺丝前段焊接一微型万向转轴，再在前端用强力胶粘上测力计的后盖，使测力计整体可以在竖直平面内自由转动，也可以调节螺母使其前后移动，使测力计和演示仪在同一平面内，保证测力计正确测量。

④免漆木工板上、下两行均固定相互平行的两把不锈钢毫米刻度尺，注意：这6把钢尺的零刻度线在竖直位置均对齐（钢尺的零刻度线以外的空白部分应切除或磨掉）。

⑤在改进后的光具座支架上固定收缩天线杆，顶上端固定一枚红外线激光十字仪，由充电宝供电。接通电路，十字激光照射在免漆板上，上下左右且旋转调节光具座上的十字仪的激光头，使一条光线与力的作用线重合，另一条光线一定要过杠杆的支点，这时支点到力的作用线的激光线段长即为力臂的长度。转动木条钢尺，使钢尺与激光线平行即可，测出力臂的大小。

1.3    演示和操作过程

（1）探究动力、阻力与杠杆垂直，杠杆在水平位置平衡的条件

①上下移动红外线激光十字仪，使十字交点正对杠杆支点，一条光线与重垂线重合，另一条光线一定处于水平位置，调节杠杆两端的螺母，使杠杆在不挂钩码时与水平光线重合，即达到水平平衡状态。

②给杠杆两端挂上不同数量的钩码，移动钩码的位置，使杠杆再一次在水平平衡。这时杠杆两端受到的作用力等于各自钩码的总重量。

③把支点右边的钩码重量当作动力F1，右侧悬挂点到支点的距离为动力臂 L1;支点左边的钩码重量当作阻力F2，左侧悬挂点到支点的距离为阻力臂L2，把测量数据填入表格。

（2）再探究动力与杠杆不垂直，杠杆在水平位置平衡的条件

①按上述过程的第1步重复一遍。

②在杠杆支点任意一侧加挂钩码，用弹簧测力计倾斜施力，拉住杠杆使其在水平位置再次平衡，如图3所示。

③在光具座上下左右移动红外线激光十字仪（利用两条激光始终垂直的特点），很快找到测力计拉力的力臂位置，转动木条刻度尺测出动力臂L1，测力计拉力读数为F1，钩码的重量为F2，对应的力臂为L2，把测量数据填入表格。

（3）再探究动力与杠杆不垂直，杠杆不在水平位置平衡的条件

①任意旋转杠杆的平衡螺母，有意使杠杆不在水平位置静止，然后转动杠杆后面的长方体木条刻度尺使它与杠杆重合（正视时看不到木条尺为准），目的是确定好杠杆不挂钩码静止的位置。

②在演示杠杆的一端加挂钩码若干，再用弹簧测力计挂钩拉住杠杆，在滑道内左右移动测力计悬挂点，再次让杠杆与后面的长方体木条尺重合（再次回到步骤1中的位置），可以读出测力计示数F1，钩码总重量为F2。

③再次移动红外激光十字仪，并转动光束使其一条光线与测力计拉力的细线重合，另一条光线过杠杆的支点，显示出力臂的位置，然后转动木条尺使其与力臂位置重合，读出力臂L1，再次移动激光仪读出钩码的力臂L2，把测量数据填入表格。

用以上装置实验，实验过程清晰简便。

2    多功能验电器

2.1    设计思路及原理

中学物理中关于静电现象是利用验电器来检验物体是否带电的，验电器的原理是同种电荷相互排斥。但它无法区分电荷的种类，实际上带电荷的多少也很难准确检测。我们根据场效应管的特殊开关效果，利用负压（负电荷）或者正压（正电荷）接触场效应管栅极驱动漏极和源极导通，并结合三极管的放大作用，设计两种不同的放大电路，对正负电荷产生不同的效应，让不同的电荷驱动闭合电路中的双色LED灯发出不同的色光，并且与之并联的蜂鸣器工作发出声音，串在电路中的灵敏电流计分别因不同的电荷向对应的方向发生偏转，其原理图如图4所示。

2.2    验电器结构和使用

装置的外观图如图5所示。验电器的底座用乳白色亚克力板制作，電路焊接在线路板上，用3 V电源供电，用静电无法点亮LED灯，但可以驱动低压直流电的原理制成了放大电路。图6是内部电路图，其中Q1和Q2是两只起到电路开关作用的场效应管，Q1为N沟道场效应管，型号为IRF630，用来检测正电荷;Q2为P沟道场效应管，型号为IRF9630，用来检测负电荷。LED灯为红、绿双色发光二极管，正电荷使其发红光，负电荷使其发绿光。Ne为高阻值氖管，D3、D4为普通二极管。在电路中起保护作用，电源为3 V干电池。

在实践制作活动中，我们可以继续优化电路。以检验正电荷电路为例，为了方便学生既能看到不同色光，又能听到蜂鸣器的声音，还能看到电流表指针的偏转，调动学生的各种感官，实验效果会更好，把实验电路简化成如图7所示的电路，其中C为3 V蜂鸣器，再串联一个学生用电流表，去掉多余的元器件。这样一来，学生都可以亲手制作，也降低了制作成本，更具有推广的实用价值。

操作步骤：首先接通总电路开关，若把正负电荷转换开关拨向“+”极，然后把用丝绸摩擦过的玻璃棒接触金属杆，这时双色LED灯亮且为红色，与之串联的蜂鸣器响起，灵敏电流计的指针向右边的“+”偏转，说明此时的玻璃棒带正电荷。若将毛皮摩擦过的橡胶棒接触金属杆，则没有反应;此时再把正负电荷转换开关拨向 “-”极，这时双色LED灯亮且为绿色，与之串联的蜂鸣器响起，灵敏电流计的指针向左边的“-”偏转，说明此时的橡胶棒带负电荷。若将一物体接触金属杆，进行上述操作均无反应，则不带电。此时的电路一直工作不停止，为了断开灯和蜂鸣器进行下次实验，用手接触一下正电荷接地按钮即可。取任一物体，可以用上述方法检测是否带电或带何种电荷。

该多功能验电器功能大大增加，不仅可以检验物体是否带电，而且可以检验电荷的种类和物体电荷量的大小。检验电荷正负可以通过观察灯光颜色区分，通过观察LED灯的亮度和灵敏计指针的偏转角度大小可以检验带电体所带电荷量的多少。

注：文中的多功能验电器已申请专利，专利号201921269392.6

参考文献：

[1]华东地区初中物理教材编写组.义务教育课程标准实验教科书物理八年级下册[M].上海：上海科技出版社，广州：广东教育出版社，2006：46-48.

[2]华东地区初中物理教材编写组.义务教育课程标准实验教科书物理九年级上册[M].上海：上海科技出版社，广州：广东教育出版社，2006：43-47.

[3]连武，汤金波.学生自主创新实验让物理学科核心素养落地生根[J].中学物理，2018，36（4）：8-11.

（栏目编辑    王柏庐）