物理低成本趣味實(shí)驗(yàn)的開發(fā)研究

高守貴 孔 健

(合肥幼兒師范高等專科學(xué)校基礎(chǔ)部 安徽合肥 230013 )

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，教師若會自創(chuàng)成本低廉、趣味十足的實(shí)驗(yàn)，不僅能彌補(bǔ)儀器短缺的困擾，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。物理低成本趣味實(shí)驗(yàn)有多種開發(fā)途徑，根據(jù)取材情況可分為玩具類、生活物品類、新材料類等。

一、利用玩具、小魔術(shù)開發(fā)趣味實(shí)驗(yàn)

不少科學(xué)玩具和小魔術(shù)是根據(jù)物理原理設(shè)計(jì)而成的，如果將它們應(yīng)用在物理教學(xué)中，往往更能吸引學(xué)生，使學(xué)生在輕松、好奇中愉快學(xué)習(xí)。

有些科學(xué)玩具能形象直觀地顯示相關(guān)的物理現(xiàn)象。如“探索科學(xué)實(shí)驗(yàn)玩具”等套裝玩具，還有萬花筒、望遠(yuǎn)鏡、不倒翁、陀螺、發(fā)光拉線飛碟、彈射閃光飛箭以及車模航模等玩具。這些玩具設(shè)計(jì)精巧美觀、便于操作，若運(yùn)用得當(dāng)，甚至能超越專用實(shí)驗(yàn)儀器的作用。

例如，教師在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生用牛頓擺來完成如下實(shí)驗(yàn)，并觀察發(fā)生的現(xiàn)象：

①在其中一邊分別拉起第1個(gè)球、前2個(gè)球……每一次都同時(shí)釋放拉起的球，讓其撞向靜止在原處的球；

②在兩邊拉起相同數(shù)量的球并同時(shí)釋放；

③在兩邊分別拉起不同數(shù)量的球并同時(shí)釋放。

操作前先請學(xué)生猜測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合直觀的演示實(shí)驗(yàn)并加以分析說明，能有效地促進(jìn)學(xué)生理解掌握彈性碰撞的規(guī)律。

有些魔術(shù)是根據(jù)物理相關(guān)原理設(shè)計(jì)的，此類魔術(shù)道具和操作并不復(fù)雜，教師可以利用學(xué)生對魔術(shù)的好奇心理，在揭秘魔術(shù)原理的過程中學(xué)習(xí)物理知識。例如魔術(shù)“空中魔結(jié)”：金屬環(huán)下落時(shí)被中指阻擋，從平動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)，被鐵鏈纏繞住。這個(gè)小魔術(shù)可以讓學(xué)生了解平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)使課堂更加生動(dòng)。

二、利用日常物品開發(fā)趣味實(shí)驗(yàn)

1.利用生活用品設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)

一些常見的物品或材料，如氣球、眼鏡、鐵勺、筷子、碗、雞蛋、蠟燭、平面鏡、橡皮筋、各類絲線、塑料袋、保鮮膜、洗潔精等，這些材料的硬度、彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、強(qiáng)度等物理性能不同，可以恰當(dāng)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)之中。例如，雞蛋在鹽水中的沉浮、敲擊水位不同的一組杯子比較音調(diào)的變化。

2.利用簡易及廢棄物品設(shè)計(jì)趣味實(shí)驗(yàn)

就地取材和變廢為寶設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生興趣往往特別高，還可以有效培養(yǎng)他們的動(dòng)手實(shí)踐能力。例如，利用礦泉水瓶、乒乓球可以設(shè)計(jì)浮力實(shí)驗(yàn)，操作性和趣味性強(qiáng)。把礦泉水瓶剪去半截，保留瓶口上半部，將瓶口朝下，把一個(gè)乒乓球放入瓶中，將水從上面開口端注入，乒乓球沒有上浮；當(dāng)用瓶蓋或手指堵住下方瓶口，微微晃動(dòng)瓶子，由于乒乓球的下部有了水，在浮力的作用下乒乓球漂浮在水面上。

3.利用儀器設(shè)備開發(fā)趣味實(shí)驗(yàn)

人們根據(jù)基本的物理原理制造出很多儀器設(shè)備。如基于光伏發(fā)電制造出太陽能電池，基于紅外輻射的調(diào)制生產(chǎn)出各類遙控器，基于電磁波與水分子共振制造出微波爐，基于傳感器制造出各種自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備，基于慣性定律制造出安全氣囊傳感器等。家用電器一般都是根據(jù)物理原理制作而成，可以在適當(dāng)?shù)臈l件下把相關(guān)物理現(xiàn)象有趣地顯現(xiàn)出來。

4.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材或方法增加實(shí)驗(yàn)趣味性

例如，利用交流可拆變壓器直觀地演示法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)。拆掉副線圈，橫軛水平抽動(dòng)留一個(gè)3 mm左右的開口(如圖1)。取長約3 m的電線與小燈泡串接成閉合線路，用電線纏繞鐵芯成為匝數(shù)逐漸增加的副線圈，可以觀察到小燈泡變亮的過程：數(shù)匝以后燈絲微微發(fā)光；當(dāng)線圈繞到一定匝數(shù)時(shí)，小燈泡亮度正常。若將電壓表與小燈泡并聯(lián)，觀察每多繞一匝(或數(shù)匝)線圈電壓的增大量，則可得出感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈匝數(shù)之間的定量關(guān)系。

圖1

三、利用新技術(shù)、新材料開發(fā)趣味實(shí)驗(yàn)

隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)、新材料層出不窮，有些技術(shù)產(chǎn)品、新材料容易找到，為開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了便利條件，利用它們可以做非常精彩有趣的實(shí)驗(yàn)。

例如，釹磁鐵等強(qiáng)磁鐵比普通磁鐵的磁性強(qiáng)十倍左右，利用它們可設(shè)計(jì)出許多精彩的趣味實(shí)驗(yàn)，極受學(xué)生歡迎。

①楞次定律：把普通金屬球、強(qiáng)磁鐵分別放進(jìn)長鋁管上方入口，強(qiáng)磁鐵下落穿過鋁管歷時(shí)長達(dá)數(shù)秒。

②電磁驅(qū)動(dòng)：在一塊大蹄形磁鐵的兩極分別吸附強(qiáng)磁鐵，以增強(qiáng)中間區(qū)域的磁場，將其平放在桌面上。用兩枚鋁質(zhì)一角硬幣粘合組成鋁輪，將鋁輪立在蹄形磁鐵開口中間(鋁輪兩面與U形兩側(cè)平行)。沿著與鉛輪兩平面平行的方向平推蹄形磁鐵，則鋁輪會被無形的力推動(dòng)。

③磁懸浮：取兩張光盤，在每張光盤的同一面的一個(gè)圓周上，間距均勻地粘上6塊左右強(qiáng)磁鐵，使得每個(gè)磁鐵都是N極(或都是S極)粘貼在光盤上。將兩張光盤的磁鐵同名磁極相對，共同套在豎直的圓桿上，則上邊的光盤會懸浮起來。

④電磁阻尼：裝置示意如圖2，演示時(shí)將兩個(gè)釹磁鐵擺球從拉開至振幅相同位置，釋放后鋁板上方的擺球做明顯的阻尼振動(dòng)，在比較短的時(shí)間內(nèi)停了下來。

圖2

⑤模擬改變重力對單擺周期的影響：安裝兩組擺長、高度均相同的單擺，一個(gè)擺球材料是鐵質(zhì)的，另一個(gè)是鉛質(zhì)的。在兩擺球下方均放置強(qiáng)磁鐵，鐵擺球受到向下的磁場力，相當(dāng)于增大了重力場。將兩擺球在拉開一個(gè)小角度，同時(shí)松手，可以觀察到鐵擺球先回到初始位置，擺動(dòng)明顯較快，模擬出重力加速度越大，單擺周期越小的實(shí)驗(yàn)效果。

如果說物理學(xué)是一座寶石礦藏，那么，物理實(shí)驗(yàn)則是其中璀璨的寶石，而物理低成本趣味實(shí)驗(yàn)則是其中一顆最為晶瑩精巧的寶石。只要充分挖掘它們內(nèi)在的教學(xué)功能，就可將這些寶石惟妙惟肖地呈現(xiàn)出來。