微型物理演示實驗箱的研制與應用

盧榮德，程福臻，孫臘珍，陶小平，黃 環

（中國科學技術大學物理學院，安徽合肥230026）

1 引 言

在大學物理教學中物理演示實驗是最重要的手段之一，也是培養學生形成科學的思維，培養科學研究方法的重要途徑，是實施素質教育和提高教學質量不可或缺的重要實踐環節.微型物理演示實驗作為新興的實驗方法和技術，已被國內外物理教學界所采用，并日趨成為今后物理實驗改革的方向[1].以微型化為特征的物理演示實驗教學，具有安全可靠、節約資源、動腦動手結合等優勢.微型物理演示實驗的出現和發展，為加強和改善物理演示實驗教學，特別為激發學生的探索能力及創造能力的培養提供了廣闊的前景.

2 多功能成套微型物理演示實驗箱的技術背景

微型物理演示實驗安全、省時、節約、經濟、操作簡易，便于教師演示實驗教學實踐，實現課堂（動腦）與實驗（動手）的結合、交叉、滲透、互補.可從根本上改變教師做學生看、教師講學生聽的傳統模式，利于師生進行探究式教學，培養學生的創新意識、創新能力，激發學生學習興趣，提高實驗動手能力[2].微型演示實驗在物理課堂教學的普及勢在必行，它的特點特別適合探究式的教學，切中物理教材.

在物理演示實驗的實踐和推廣中，關于物理演示實驗儀器，雖然現已有多種儀器在實際教學中使用，取得了可喜的成果，但當前的物理演示實驗教學中存在下列問題[1－3]：

1）演示實驗內容專業口徑過窄，導致物理課堂與實驗之間缺乏交叉融合.

2）單一化演示實驗儀器設備服務學生的容量小、演示實驗室附屬于課程組或附屬于實驗組、驗證性實驗多而自主設計性實驗少.

3）演示實驗通用教學模式，多是課前將物理演示實驗準備好，教師表演、學生觀察模式；定性半定量演示實驗模式是指教師交代好實驗的目的、原理、要求，學生按講義完成實驗.這些實驗教師熟悉，實驗技術人員有經驗，但學生動腦不多，現象觀察的程度、思考的深度無從考查，探索性實驗、挑戰性設計難以落實.

20世紀80年代以后，“大學物理”和“大學物理實驗”獨立設課.“大學物理”傳授物理學的基本概念、基本理論和基本方法；“大學物理實驗”傳授從實踐中獲取知識的技能和方法；“演示實驗”引導學生觀察和分析實驗現象，建立物理圖像和物理模型，總結規律，是物理教學情境創設不可缺少的手段，是理論與實驗教學的橋梁和紐帶[4].大學物理演示實驗可構建師生理實交融的平臺，實現物理演示實驗立體化教學體系，對此研制了一套造價低廉、易于推廣的微型物理演示實驗工具箱.

3 微型物理演示實驗箱設計的科學性和新穎性

由于目前國內現有技術中的物理演示實驗儀器在實際教學中存在問題，而微型物理演示實驗在我國開展十來年，還不能在物理演示教學中普遍推廣應用.以此作為切入口，著眼于打通理論教學與實驗教學分立設課的壁壘，著重研制和開發符合科學原理，具有多功能性、實用性強、能滿足物理演示教學內容的簡易標準接口配套微型儀器[3].與國內原有演示實驗儀器比較，具有如下優點：

1）儀器具有多功能性，使其種類、數量大為減少，每套有儀器16種共28件，如圖1所示，利用率高.

圖1 微型成套實驗箱內的儀器圖

2）儀器連接部位全部采用簡易標準接口（非磨口）設計[2]，但又具有磨口儀器安裝方便的特點，便于操作，能有效降低儀器成本.

3）每一模塊可獨立成一套體系，可組裝成具有獨立的13個原理清晰的微型演示實驗[2]，教師可根據課堂教學進展選擇1個模塊就可方便帶入課堂進行演示實驗，并可讓學生課上、課間操作，或課外活動進行實驗設計等多種用途.

4）多功能微型物理演示實驗平臺[3]，能方便地組裝各種微型物理演示實驗裝置，每模塊相關資源可共享，并能使用電壓、電流傳感器，通過計算機USB接口就可進行實驗現象的定量探究.安裝時無需螺母固定，調節方便，不用時可方便拆卸、歸位.

5）微型物理演示實驗模塊及配套部件組成的便攜式微型物理演示儀器箱，每套件只有相當飯盒的大小（24cm×12cm×11cm）；攜帶方便，操作可靠、現象明顯，整體裝載于拉桿箱中，便于整體搬運（質量小于10kg）等特點.

儀器設計精致、配置合理、組裝靈活、價格低廉，容易實現授課教師人手一套，由于整套儀器體積小，特別適合教學中實現在普通教室邊上課邊實驗，以達到較好教學效果，從根本上改變了傳統演示實驗教學模式[5].

4 微型電磁學演示實驗箱的構建

微型電磁學演示實驗箱是一只拉桿箱裝載13個實驗模塊、電源、附件、實驗講義與光盤以及微型高清網絡攝像頭（可選）組成.

4.1 微型演示實驗箱的電源

高壓電源：有了該電源，靜電學中許多的演示實驗外加設計模塊就可實現，如靜電屏蔽、哈里波特魔杖等演示實驗（可留給學生設計空間）.

該電源通市電經整流變為直流，采用全橋整流濾波，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓.在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到3～5kV，輸出電壓從0V上升到5kV的響應時間為0.5s左右，具有較快的響應速度，輸出電壓為5kV時，其最大電壓波動小于5%.電源系統具有體積小、穩定性好、響應速度快等特點.如圖2所示.還有12V電源盒、1／5／7號1.5V電池、9V方塊電池等.

圖2 高壓電源原理及其裝置圖

4.2 微型電磁學演示實驗箱輔助構件

1）微型電磁學演示實驗箱采用拉桿箱，拉桿內置，鋼材質，箱體有鋼置的骨架，面料防雨，材料的顆粒度大，比較耐磨；輪子內置，橡膠材質，在地上拉時聲音小.

2）實驗輔助構件結構簡單、體積小、操作方便，調節靈活，能夠單獨、方便地安裝各種微型演示實驗裝置，不用時可拆卸，便于攜帶，是一種多功能的演示實驗裝置，有利于微型演示實驗的開展.如鐵磁材料的居里溫度演示實驗操作臺為支柱設計，可根據需要自由取用，組裝樣品方便，底座是磁性的直接吸在操作臺上，可克服由于微型儀器小而輕，不便于穩定操作，稍不小心易翻倒的弊病.

4.3 微型高清網絡攝像頭

微型高清網絡攝像頭具有高速、在寬視場范圍內旋轉、傾斜運作安靜等特點，可快速穩定地自動聚焦及自動曝光來控制背光補償，特別適用于課堂光線不好的條件下互聯網通訊的網絡傳播應用.微型電磁學演示實驗在大課堂實驗時，學生可見度低，可通過微型高清網絡攝像頭將演示實驗操作現場互聯在大屏幕上，拓展其能見度.

5 典型的電磁學微型演示實驗舉例

微型物理演示實驗儀器箱中配套的儀器雖然不多（只有13種類型），但其功能較強，可幫助師生設計其他的電磁學實驗.儀器組裝簡單、方便、易行，當對其構造、功能有系統認識后，能根據實驗原理用它設計出具有創新性的實驗方案[4－7]，可收到明顯的教學效果，為電磁學探究性學習提供了有效的資源.

5.1 直流電動機的演示實驗

如圖3所示裝置，直流電源（1.5V干電池）置于底座盒子中.轉子：用漆包線繞制成矩形線圈做轉子，通過開關接通漆包線圈（電樞繞組），使漆包線圈（電樞導體）有電流流過.定子：強力磁鐵置于漆包線圈下面的底座上，組裝起來如圖3所示（電機的磁場）.換向器：線圈引出的導線一端只刮除一半漆膜，另一端全部刮除了漆膜，因此線圈每轉1周，只有半周有電流流過，而另半周中線圈沒有電流流過.在前半周，線圈中有電流流過，線圈受到作用力，這個力使線圈繞著中間軸線轉動.當線圈轉到后半周時，線圈中沒有了電流，線圈不會受到力的阻礙，它將由于慣性而繼續按原來的方向旋轉，直到轉到下一半周時，線圈中又有了電流，線圈再次受到力作用而繼續轉動.如此不斷反復，轉子就不停地旋轉.

圖3 直流電動機演示

5.2 鐵磁材料的居里溫度演示實驗

如圖4所示裝置，鐵磁質存在居里點，當溫度超過居里點后，磁疇瓦解，其鐵磁性消失，變為順磁性.居里點亦稱居里溫度，不同的鐵磁質，居里點不同，如鐵的居里點為769℃，而鎳的居里點為358℃.將懸掛著的鎳片移近永久磁鐵，即被吸住，說明鎳片在室溫下具有鐵磁性.用打火機加熱鎳片，當鎳片的溫度升高到一定溫度時，鎳片不再被吸引，在重力作用下回落到平衡位置，說明鎳片的鐵磁性消失，變為順磁性.移去打火機，稍待片刻，鎳片溫度下降到居里點以下，鎳片恢復鐵磁性，又被磁鐵吸住.

圖4 鐵磁材料的居里溫度演示

5.3 法拉第磁生電圓環實驗演示

如圖5所示裝置，1831年法拉第在8月29日的實驗日記里記述了“磁生電的實驗”：

圖5 法拉第磁生電圓環實驗演示

1）在磁環上繞有A和B兩組線圈，A線圈用3股線繞成，B線圈用2股線繞成.

2）B線圈抽頭接成閉合回路，A線圈兩端接電池組，當電源接通時，放在閉合回路B附近的小磁針發生了明顯擺動；切斷電流時磁針擺動方向相反，此效應很短暫，這就是著名的法拉第圓環實驗，通常被認為是電磁感應現象的發現，法拉第則把該實驗稱作電流的感應.

3）改進實驗.把繞在硬紙管上的8個線圈并聯起來，并把端點接在電流計上，拿起1根磁棒快速插入紙管內，觀察到電流計指針偏轉了，當快速抽出磁棒，指針又向相反的方向偏轉了.磁生電的理想終于實現了（1831－10－17）.

6 教學實踐效果

2010年10月中國科學技術大學物理學院電磁學課程組開展微型物理演示實驗在課堂教學中應用的研究，物理學院面向全校大二級的16個教學班，學生人數共1 770人參加試驗.教師人手一套微型電磁學演示實驗教具箱.全部安排在普通教室里按正常的教學秩序同時開展邊授課邊實驗的教學模式改革試驗.結果表明試驗是成功的，達到了預期教學效果，深受學生的歡迎：將知識傳授與實驗探索相融合，極大地調動了學生對物理課的興趣，促進了學生自主學習，激發學生求知欲和創造性.

該儀器特別適合課堂演示實驗，便于課堂上邊授課邊實驗，一些演示實驗或習題也可運用本儀器由學生自行設計和操作完成.微型實驗箱恰似微型的演示實驗室，學生也可在課間5min或校內課外活動開展興趣實驗和探索性實驗.強化了物理實驗在本科生人才培養中的地位與作用，加強了學生對實驗現象的物理學根源挖掘和提高了實際動手能力，激發了學生的興趣和思考，對培養學生的創新精神和安全意識起到潛移默化的促進作用[6].

該套微型電磁學演示實驗儀器箱適用于高校電磁學演示實驗及各層次專科院校的普通物理電磁學演示實驗，能完成電磁學五大系列中典型知識點.而常規演示實驗如超導等，可使微型電磁學演示實驗與常規演示實驗兩者取長補短，發揮各自的優勢，相輔相成地共同提高物理教育質量.推廣微型物理演示實驗并不是要用微型物理演示實驗全部取代常規演示實驗，而是認為微型物理演示實驗和常規物理演示實驗是物理演示實驗的“一體兩翼”.在教學應用中，要明確哪些實驗可微型化，哪些實驗必須通過常規手段來完成.具體操作時，可根據教學目的要求和教學實際來進行確定.

7 結束語

綜上所述，普及微型物理演示實驗不僅具有顯著的安全性和經濟效益，而且是實驗教學手段的更新，是物理教育中實施素質教育的有效途徑，對全面推進素質教育，培養創新精神與實踐能力有著重要的意義[7].一套實用性強的微型儀器，對微型物理實驗在大學普物教學活動中開展和推廣應用，提供了必要的物質技術條件.淡化演示實驗和學生實驗的區別，強調探究式教學和推進物理普及，為微型物理演示實驗在我國的開展和推廣提供了可能性.充分發揮微型物理演示實驗的功能，為提高大學物理教學質量服務.

[1] 張慧貞.創新物理教材教法理論與錦囊[M].臺中：逢甲大學出版社，2007：63－64.

[2] 盧榮德，程福臻，孫臘珍，等.大學物理演示實驗動感創新教學平臺的探索與實踐[J].物理通報，2011（1）：42－45.

[3] 張淑林.營造創新生態環境培養高層次創新型人才[J].中國高等教育，2009（22）：16－18.

[4] 張增明，孫臘珍，張權，等.創新研究型物理實驗教學平臺的建設[J].實驗室研究與探索，2008（12）：7－9.

[5] 盧榮德，程福臻，陶小平.大學物理教學模式的探索與實踐[J].教育與現代化，2010（2）：35－39.

[6] 孫臘珍.大學物理實驗的研究式教學[J].物理通報，2007，（4）：10－12.

[7] 盧榮德.大學物理數字化演示實驗教學平臺[J].實驗室探索與研究，2006，（4）：56－57.