借助新技術(shù)提升高中物理實驗演示效果

裘思遠(yuǎn)

（杭州蕭山區(qū)第二高級中學(xué)，浙江 杭州 311251）

1 利用小型數(shù)碼產(chǎn)品使實驗演示便捷、直觀

技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)碼產(chǎn)品已經(jīng)走入普通家庭，例如數(shù)碼相機手機.同時這些數(shù)碼產(chǎn)品的功能也越來越多，那么在高中物理實驗中能否運用這些功能呢？

1.1 數(shù)碼相機的使用

現(xiàn)在數(shù)碼相機已經(jīng)是家庭的生活必需品了，不但可以拍照還可以攝影，但是一般我們只把它用做拍攝生活照片之用，如果有心還可以用在物理實驗探索上.［1］例如，用數(shù)碼相機研究平拋運動的軌跡.

圖1

利用數(shù)碼相機將小球的平拋運動過程記錄下來，將得到的錄像通過電腦和投影儀投影到黑板上，在播放器中按幀播放實驗錄像，在黑板上將小球所在的位置標(biāo)記在黑板上，將各點用平滑的曲線連接，就得到小球平拋運動的軌跡.由于相鄰兩幀照片之間的時間間隔是相等的，均為1／30 s，只要測量相鄰小球位置的水平位移，就很容易判斷小球做平拋運動在水平方向上的運動特點.同時測量相鄰小球位置的豎直位移，也能得到小球在豎直方向的運動特點，如圖1所示.

1.2 手機的使用

圖2

隨著手機技術(shù)的不斷發(fā)展，手機的功能越來越多，從而需要各種各樣的傳感器作為技術(shù)支撐，其中包括重力、聲音和磁傳感器等.手機最大的優(yōu)點就是方便攜帶，在物理教師眼中，手機就是一個很好的移動物理實驗平臺，可以在具體的情景中隨手做實驗.

例如，在研究“超重和失重”時.以“huaweIp6”手機為例，在安卓系統(tǒng)下安裝“TrIcorder”應(yīng)用軟件.手機小巧靈活，而且安裝有重力傳感器，能夠?qū)κе睾统噩F(xiàn)象進(jìn)行研究.首先打開手機中“重力”功能，那么就可以觀測時間和重力的圖線.將手機從肩部快速舉起，就會得到圖2所示的圖線.在起立過程中手機先向上加速后向上減速，即先超重后失重，結(jié)合圖線觀察圖線顯示重力傳感器數(shù)值先增大后減小.

1.3 攝像頭的使用

在物理演示實驗中有些實驗所能顯示的現(xiàn)象變化比較微小，或者有些實驗只能在特定的視角才能觀察到明顯的實驗現(xiàn)象.通過攝像頭可以將實驗現(xiàn)象更加清晰地展示在課堂上.

例如，在研究肥皂膜的薄膜干涉實驗（圖3所示），在酒精燈的燈芯上撒上一些食鹽，燈焰就能發(fā)出明亮的黃光.把鐵絲圈在肥皂水中蘸一下，讓它掛上一層薄薄的液膜.把這層液膜當(dāng)成平面鏡，用它來觀察燈焰的像.在這個實驗演示的過程中，通過攝像頭來觀察，將現(xiàn)象投影到大屏幕上可以讓全體學(xué)生觀察到清晰的干涉條紋.通過攝像頭方位的調(diào)整，也可以轉(zhuǎn)換觀察視角，使學(xué)生更容易進(jìn)入情境.

圖3

2 運用DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)使實驗過程可視化

傳統(tǒng)物理實驗一般都是靠學(xué)生用眼觀察、用筆記錄、用紙計算、用表作圖，但是很多時候由于物理過程變化過快、物理現(xiàn)象細(xì)微難辨、數(shù)據(jù)處理繁瑣，這樣在課堂中進(jìn)行實驗演示既影響了觀察效果，又耽誤了教學(xué)時間，還可能造成較大的實驗誤差.在使用了DIS數(shù)字化實驗后，教學(xué)效果大大提高，因為它能夠通過圖像、表格等呈現(xiàn)手段將實驗過程“可視化”.

例如，在研究彈簧振子振動周期時，由于振子在振動過程中速度比較快，如果學(xué)生僅僅是觀察一下振子的來回振動，意義不大，因為對于振動過程中的關(guān)鍵物理量無法獲悉，如回復(fù)力、位移、速度的變化.如果能利用DIS實驗系統(tǒng)，就可以將位移發(fā)射器同一根繩子懸掛起來作為彈簧振子［如圖4（a）］，并在它的兩端連接彈簧，在彈簧的兩端連接力學(xué)傳感器，顯示彈力的變化，這樣就可以實時顯示振子在振動過程中位移和回復(fù)力隨時間的變化關(guān)系圖［如圖4（b）］.

圖4

3 應(yīng)用新能源材料使實驗演示與時俱進(jìn)

圖5

新能源，特別是綠色能源能夠符合環(huán)保理念，越來越受到人們的重視，如太陽能、熱能、風(fēng)能等，伴隨著這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種新興材料也逐步出現(xiàn)在大眾的視野中［2］.利用這些材料可結(jié)合高中物理教學(xué)的需要就可以開發(fā)一些實驗.

選修3－3和選修2－2教材都提到了“半導(dǎo)體制冷技術(shù)”的材料.這種半導(dǎo)體制冷材料可以在電子市場中購買得到，將半導(dǎo)體制冷片與兩塊鋁板制作一個實驗裝置（如圖5）.例如，在演示溫差熱機時，可以將實驗裝置的兩塊鋁板分別放入一杯熱水和冷水中，當(dāng)半導(dǎo)體制冷片兩端存在一定的溫差（一般40～80℃）時，半導(dǎo)體制冷片兩端會產(chǎn)生一定的電流，裝置中的風(fēng)扇就會轉(zhuǎn)動起來.

這個實驗可以說明熱力學(xué)第二定律的第2種表述“不可能從單一熱源吸收熱量并把它用來全部做功，而不引起其他變化”.我們把這樣的實驗裝置稱為熱機，把兩塊鋁板腳分別插入兩杯水，一杯熱水一杯冷水，片刻后，看到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動起來.說明內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能，隨著時間的推移，電扇的轉(zhuǎn)速逐漸變慢，最后停止轉(zhuǎn)動，此時再用手試水溫，發(fā)現(xiàn)這時冷水變熱了，熱水變冷了，兩者的溫差消失.通過以上實驗可說明只有單一熱源的熱機是不可能存在的.

4 使用電路仿真軟件模擬實驗探究過程

對于物理實驗，應(yīng)用Flash對實驗過程、實驗現(xiàn)象的動畫模擬使物理過程能夠清晰的展示在學(xué)生面前，但是動畫模擬只是對物理過程的展示，缺少了對實驗探究，在電子電路軟件中有很多虛擬仿真的軟件能夠模擬物理實驗的探究過程，這里以MultIsIm9為例進(jìn)行介紹.

MultIsIm9電路仿真實驗是一種在高中物理新課程教學(xué)中非常有效的實驗方法，不但操作步驟簡易而且效果也很好.例如，如圖6（a）所示，這是在MultIsIm9中建立電路以研究自感現(xiàn)象.XSC1是示波器，它顯示小燈泡X2兩端電壓的變化，而R2則是電源的內(nèi)阻.開關(guān)初始時是斷開的，當(dāng)閉合和斷開開關(guān)時，示波器中就會顯示X2兩端的電壓變化，如圖6（b）所示.隨著開關(guān)閉合，X2先變亮后變暗，最后穩(wěn)定在一定的亮度.而隨著開關(guān)斷開，X2突然變亮后又熄滅，而且可以觀察到另一種現(xiàn)象，即開關(guān)斷開電壓反向，這說明開關(guān)斷開，電流流過X2的方向與原來相反.

圖6

實驗是物理新課程改革的重要環(huán)節(jié)，是落實物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，也是新課程改革的重要資源.作為一名新時代的物理教師，應(yīng)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求安排足夠的學(xué)生實驗和演示實驗，最大限度地利用實驗室現(xiàn)有的器材，充分地開發(fā)和利用實驗室的豐富課程資源，鼓勵學(xué)生主動做課外實驗.

1 楊杰.數(shù)碼相機在物理教學(xué)中的運用［J］.物理教師，2006（8）.

2 趙力紅.新課程新實驗新認(rèn)識——新課程高中物理實驗的開發(fā)與教學(xué)研究［J］.教學(xué)儀器與實驗，2008（12）.