自制教具中實驗器材的替換研究

李培行

摘要：物理實驗中由于一些實驗過程復雜，儀器欠缺，可以引導學生認真觀察和研究原型實驗，自制教具對實驗進行改進和創新，文中筆者介紹了幾種實驗的改進方法，希望對大家有所助益。

關鍵詞：自制教具 實驗器材 替換

一、對實驗替代的認識

物理實驗創新中的替代方法是通過對原型實驗的觀察研究，明確實驗原理，洞悉其材料結構、工藝造型、功能原理等，對實驗的再一次改進和創新，是將實際的、復雜的物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程的創新技法。

替代方法不是消極的頂替和被動的變換，而是一種主動、積極的創造。替代方法操作過程中由于創造者的條件環境有別，對原實驗的研究層次差異不一，其創新成果就會層出不窮，這正是創造發明的特點。

二、替代對象的確定

替代方法操作的關鍵是找到替代原型的對象。一般確定課題后選擇的對象可以面廣、量多，經過篩選、鑒別再作深入的研究。對原來的替代可整體也可部分，部分替代一般是針對關鍵的部件、材料的替代，這種替代能使創造者得以將精力集中于必要的創造，而使整體功能超越原型。

三、我們在實驗替代研究中，進行了如下改進，推進了物理實驗教學

（一）平面鏡成像實驗的替換改進

1.用至少三對大小不等的蠟燭。這個實驗是驗證性實驗，幾十年來，教材都是直接給出學生一對等大的蠟燭來做該實驗，其實等于沒有驗證。學生對比至少三對長短不同的蠟燭之后，自然明白平面鏡成的像是等大的。

2.改用手電筒和燈泡來做。將手電筒豎立在桌面上，去除外罩，這樣即相當于點燃的蠟燭又可以避免蠟燭流蠟和倒下起火的問題。

3.用坐標紙代替白紙。用刻度尺量像和物到玻璃板的距離時容易碰到蠟燭，不論是被火焰燙著還是被晃動而滴下的滴蠟燙著都很危險，所以我采用坐標紙放在玻璃板的下方，讓學生通過看坐標紙上格數準確判斷像和物的位置，而避免了用刻度尺碰撞蠟燭的情況。

（二）乙醚壓燃點火實驗的改進

乙醚是一種極易揮發的有毒麻醉劑，儲存時極易引發火災，實驗時嚴重危害師生的身體健康而且成功率不高。改為用火柴頭和火柴盒側面的黑紙替換乙醚就可以了。先將火柴頭慢速擦在火柴盒側面的黑紙上，讓紅磷與氯酸鉀混合，取一小塊這樣的黑紙放入空氣壓縮筒內，黑紙面朝上，把火柴頭粉末撒在黑紙上面。試驗時突然用力向下拍活塞，就可以燃起長長的火焰，實驗現象明顯而且成功率高。

（三）內能實驗

傳統實驗用正在放氣的氣球貼著臉，感受氣體對外做功時內能下降。這一實驗的缺陷是溫度變化不明顯，很多學生感受不到，另外氣球沒拿好就帶著響聲飛出去了，影響課堂教學。改用足球的氣門芯放氣，在排氣孔處放DIS溫度探針，可以明顯看到示數曲線下降，說明氣體對外做功時內能減小。

（四）薄膜干涉的實驗改進

做肥皂液薄膜干涉實驗時，改用激光照射肥皂液薄膜，反射到屏上進行觀察，可以大大提高實驗的可見度和成功率。

具體方法：用激光筆產生激光束，經凸透鏡擴束后，照射肥皂液薄膜，經肥皂液薄膜前后表面反射投影到光屏上，在屏上就會形成如圖明暗相間的干涉條紋。由于光屏的漫反射，只要學生能看到光屏，就能看到干涉條紋。

改進后的優點：改進后的方法不僅大大提高可以觀察的范圍，而且采用激光作為光源形成干涉條文亮度高，同時使可觀察距離得到增加，大大提高實驗可見度。

此方法不僅適用于觀察肥皂液薄膜干涉，也可以激光照射兩塊玻璃之間形成的空氣薄膜觀察到干涉條紋更亮。且穩定持久，傍晚可以做。

（五）液體擴散演示的替代

說明分子做無規則運動的擴散實驗，一般是通過硫酸銅溶液擴散于清水來演示的。但這種演示要經過幾天時間才有明顯效果。事實上液體擴散是一個緩慢的過程，在課堂教學時間內，利用上述方法是無法觀察到液體擴散現象的。要在短時間內顯示液體的擴散現象，必須尋求替代方法。

有人利用原電池的原理設計了離子探測器。探測液體擴散時，利用電流的變化來替代傳統的觀察方式，這是一種新的擴散演示裝置。

自制的離子探測器，探頭用銅片和鎂片作電極，用木塞固定在玻璃管內。當探頭放進有氫離子存在的溶液中時，探頭中的原電池產生的電流將使電流計偏轉，電流的大小將隨氫離子的濃度而改變。

實驗時用手指堵住玻璃管下端開口，往管內注水，當玻璃管上端插入裝有探測器電極的管塞時，管中液體在大氣壓作用下不會從下端管口流出。讀出電流初始值（由于水有部分氫離子電離），將稀硫酸逐漸倒進玻璃杯中，直至液面把下端管口封住為止（即兩種液體相接觸）。從電流表中的電流不斷增強，說明這時兩種密度不同的溶液擴散過程的進行。

具體演示時應注意兩種液體溫度保持相同，這樣可消除由于溫度不同而引起的對流現象；探測器的電極距管下端口2mm-3mm，杯中的液面稍低于管中的電極位置。

（六）用滾擺做超重失重實驗

物體處于平衡狀態時，其視重等于物體所受的重力。當物體沿豎直方向加速運動時，物體視重便會大于或小于物體本身所受的重力，即發生超重和失重現象。我們所見很多演示超重失重現象的實驗，由于物體加速度較大而且不穩定，超重和失重過程就十分短暫，學生不易觀察。尋找一個理想的“加速度源”，是該演示的滾擺是演示動能和勢能相互轉化的實驗裝置。分析其能量轉化過程，可發現它的運動加速度值穩定，是一個理想的“加速度源”。向下運動時加速（加速度方向和運動方向一致），向上運動時減速（加速度方向和運動方向相反），因此，可替代演示超重失重的運動物體。

把滾擺支架固定在測力計掛鉤上，此時測力計顯示的是滾擺的視重。釋放滾擺，向下運動時加速度方向向上。測力計示數變小（開始時尤為明顯），表明測力計對滾擺的拉力小于滾擺的視重，即出現“失重”現象。滾擺轉至最下端后向上運動，其加速度方向向下，由測力計示數可知此時出現“超重”現象。

為使演示現象明顯，應使擺下落和上升時加速度值大些，這就需要選擇轉動慣量小些的滾擺。

替代技法對儀器的創新行之有效。即使儀器充足，也應挖掘替代技法其獨特的設計功能，留心觀察、收集信息、潛心研究，為提高物理實驗教學質量發揮作。

本文系河北省教育科學“十二五”規劃立項課題《新課程背景下高中物理實驗教學中自制教具校本開發和利用研究》研究成果。課題編號13040279。

（責編 田彩霞）