探究高中物理實驗創新改進思路研究

譚舒心

摘 要：該文以高中物理創新實驗為研究對象，首先探討了物理學科和創新實驗的特點，指出加強高中物理的實驗創新，是物理學科本身的要求。其次對自由落體運動和自制電動機模型實驗進行了創新性改進，通過創新實驗的設計、制作、使用、評價及改進等過程，我們可以領會科學的思想方法，培養基本科學素養，努力提高實踐能力和創新能力。

關鍵詞：高中 物理 創新 實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0239-02

1 物理學科與創新實驗的特點

正如我國著名物理教育家、蘇州大學朱正元教授所說“千言萬語說不清，一看實驗就分明”，物理創新實驗充分體現了物理學科的重要特點，體現了科學探究的基本思想和重要方法。物理實驗中所包含的物理觀念、思想方法和實驗技能等方面的素養是科學素養、創新精神形成和發展的基礎和重要組成部分，因此加強高中物理的實驗創新，是物理學科本身的要求。

創新實驗關鍵在于創新，沒有整齊劃一的實驗要求，沒有固定的實驗程序，沒有標準的實驗答案，只要原理正確、操作簡單、現象明顯、結果清晰，都是應該提倡的好實驗。這樣的創新過程為學生的創新思維發展提供了廣闊的空間。學生也可根據自身的知識水平和實踐能力設計切實可行的創新實驗，體驗實驗創新過程的艱辛，并在創新中不斷地反思自己、批判自己、提高自己，在實踐中不斷發現問題、提出問題、解決問題，從而達到思維發展與個性發展雙贏的局面。

2 探究自由落體運動的性質

2.1 實驗背景

《自由落體運動》是以學習包的形式呈現，就是讓大家徹底打破固有的學習模式，進入全新的學習方式。以問題探討、探索研究和交流小結為學習階段，在老師的指導下自主活動，親身體驗主動獲取知識的過程與樂趣。

2.2 實驗原理

我們已經猜測自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，那便可以利用初速度為零的勻加速直線運動的規律來進行探究。探究之前，要對這些規律所對應的實驗進行篩選，剔除不合乎情理的、不容易操作的、成功概率極低的，選用器材相對簡單并實施起來相對容易的。

2.3 實驗方案

（1）如果用速度和時間關系來探究可以怎樣做？

如果自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，那么它的加速度一定是個定值。除了（0，0）點，可以用實驗儀器測出4組，要么比較是否是個常量，要么用描點法做出圖像，看是否是過原點的一條傾斜的直線。

用什么實驗儀器來測量速度和相應的時間呢？可以很容易地利用光電門測出小球下落過程中任意4個位置的速度，但從靜止開始下落到這一位置所需要的時間，按目前高中生所掌握的光電門工作原理，是不能測出來的；如果用秒表來測，由于精度低，小球下落得又太快，造成誤差大，基本不能做到小球、光電門、秒表計時同步的要求，所以，用圖像來驗證，實驗操作性較差，具有一定的局限性，不予采用。

（2）如果用位移和速度關系來探究可以怎樣做？

可以把小球的位置（20cm、40cm、60cm、80cm）先固定，如圖1所示，只需將4個光電門安裝在這4個固定的位置，測出小球下落到這4個固定位置上的速度就可以得到4組比較的比值或者畫出圖像即可。由于這種方案最容易操作，誤差相對較小，所以將采用此方案。

2.4 實驗器材

T型固定支架、豎直軌道、1m長刻度尺、DIS（4個光電門、數據采集器、計算機）、電磁繼電器、學生電源、質量均勻的小圓柱體。

2.5 實驗步驟

（1）將1m長刻度尺固定在軌道上，再將軌道豎直的固定在T型支架上，電磁繼電器安裝在軌道的最高點，用導線和學生電源相連，將學生電源調到3V。（2）將4個光電門依次固定在豎直軌道的20cm、40cm、60cm、80cm處，連接數據采集器的I、II、III和IV的接口，再連接到計算機上，打開DIS軟件中的光電門按鈕（注：用刻度尺輕微調節4個光電門的小孔位置，確保小孔位置距離豎直軌道位置大小不變）。（3）閉合電磁繼電器開關，將圓柱體吸附在電磁繼電器下方。（4）打開DIS通用軟件，電腦會自動跳出4個時間空格，點擊“開始”，斷開電磁繼電器的開關，小圓柱體將從靜止開始下落，電腦自動記錄小球通過4個固定位置的擋光時間。（5）重復實驗4次，之后將同一個光電門記錄的5組時間進行求平均，再將通過4個光門的平均時間（最后一組）輸入事先設計好的Excel表格即可。

2.6 實驗結論

自由落體運動是初速度為零，加速度為重力加速度的勻加速直線運動。

2.7 誤差分析

實驗儀器自身記錄誤差、光電門沒有嚴格固定在固定位置、空氣阻力影響（所以做實驗不要開門窗和電扇）、圓柱體上表面沒有水平導致下落過程中擋光寬度發生變化、地面不平導致軌道不豎直等。

2.8 實驗效果及評價

該實驗通過簡單的實驗儀器組裝，有效地驗證了自由落體運動是初速度為零的勻加速直線運動，避免了教材上提供的實驗誤差大的缺點，成功突破了重難點。在不斷改進創新實驗的過程中，培養、豐富了創造性思維，提高了創新能力，感悟到創新實驗的艱辛與科學家科學嚴謹的治學態度。

3 探究自制電動機模型

3.1 實驗創新原因分析

直流電動機的工作原理主要依靠通電電流在磁場中受到的磁場力而使線圈轉動起來，但線圈又是依靠什么裝置來實現持續轉動的呢？了解電動機的內部結構，知道每一個裝置的作用，尤其換向器的作用，是發現線圈持續轉動的奧秘。沒有換向器，線圈就實現不了持續轉動，也就無法將電動機應用到工業等領域，科技的進步也會受到嚴重阻礙。此實驗再次體驗電動機內部換向器對電動機的重要作用。

3.2 創新實驗

3.2.1 實驗器材

如圖2所示，一塊釹磁鐵、一節干電池、一個寬橡皮筋、兩個別針、一塊砂布、一個漆包線繞成的線框。

3.2.2 實驗原理

通電電流在磁場中由于受到磁場力而使線圈轉動起來。

3.2.3 實驗步驟

（1）將兩個別針分別放在干電池正負極兩端，用橡皮筋固定；（2）用砂布將線框一端的絕緣漆全部磨掉，另一端磨掉一半，黃色部分是磨掉的地方，黑色部分是沒有磨掉的地方；（3）將磨好的線框架在兩個別針之間；（4）將釹磁鐵放在干電池上，即線框的正下方；（5）輕輕撥動一下線框邊緣，線框就會持續轉動起來。

3.2.4 實驗現象

通電線框因受到磁場力而持續轉動起來。討論：如果將線框兩端的絕緣漆全部磨掉，會發生什么現象呢？繼續實驗：將線框兩端的絕緣漆全部磨掉。實驗現象：線框左右轉動幾次，不能沿一個方向持續轉動。

3.2.5 實驗結論

通電線框每轉過180°，換向器就會將線框中的電流換向，使線框左右兩條邊受到的磁場力永遠產生同一個轉動方向的效果。因此，換向器是使通電線框持續轉動下去的原因。

3.2.6 實驗效果及評價

在絕緣漆被全部磨掉和磨掉一半的兩次對比實驗中，可以切身體會科學家在解決技術難題時候的專研精神和探索精神。

4 結語

當今，高考物理越來越強調學生對物理基本知識根源的了解程度，越來越重視將基本知識和基本技能轉化為能力的考查。沒有實驗作為切入點，只是用“黑板實驗”或“多媒體課件”代替探究實驗過程，那么我們學生勢必對實驗過程中可能出現的其他狀況一無所知，也就缺失了發現問題并努力尋求解決辦法的重要思維過程，也就沒有了將知識轉化為能力的過程，面對高考，能力又將從何而來？通過創新實驗的設計、制作、使用、評價及改進等過程，我們可以領會科學的思想方法，培養基本科學素養，努力提高學生的實踐能力和創新能力。

參考文獻

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