妙用日常物品巧做物理實驗

趙波

科學探究是學生四大物理核心素養之一。所謂科學探究，是指學生基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想和假設、設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據得出結論并作出解釋，以及對科學探究過程和結果進行交流、評估、反思的能力。物理實驗是學生進行科學探究的重要途徑，實驗能力是學生科學探究能力的重要組成部分，也是高考物理學科考查的五大能力之一。因此，實驗教學在高中物理教學中具有舉足輕重的地位和作用，是高中物理教學的重要組成部分。

《普通高中物理課程標準》（2017年版）指出：“在高中物理課程中，應注重科學探究，尤其應注重物理實驗。”但在實際教學中，實驗儀器陳舊老化等原因造成專用實驗器材缺損或實驗效果不佳，是導致高中物理實驗教學不能正常開展的一個不容忽視的客觀因素。那么，如何克服專用實驗器材不足，獲得更好的實驗效果，落實物理學科核心素養培育目標呢？在日常教學中，筆者嘗試利用身邊常見的物品來替代短缺或實驗效果不好的專用實驗器材，改進和開發新實驗，不僅圓滿地完成了實驗教學任務，落實了高中物理核心素養中“科學探究”素養的培養要求，而且設計出了一些有趣的新實驗，在解決教學過程中遇到的困難的同時，讓學生親身體驗物理就在身邊，實現了教學目標。

在此，筆者以四個高一力學實驗為例，與大家交流和探討。

一、利用日常物品完成課堂演示實驗

案例1：巧用激光筆演示微小形變

物品：激光筆（1支）、大山夾（1個）。

方法：用大山夾夾住激光筆的開關使其電源打開，把它們立在學生的課桌上（桌面水平），筆尖斜向上，如圖1所示。適當調整傾角，讓激光照在天花板上形成一個紅色的光點，如圖2所示。不斷用力按壓桌面，觀察光點的位置。我們可以看到，隨著手對桌面的按壓，光點在天花板上的位置發生移動。這個現象生動直觀地說明，用手按壓桌面時，桌面發生了形變。

實驗的巧妙之處：本實驗是人教版高中《物理》（必修1）第三章第2節課堂演示實驗“利用‘光杠桿放大法來演示桌面的微小形變”的改進方案。桌面對物體的支持力是彈力，由桌面的形變產生。由于學生無法直接看見桌面的形變，對此不容易理解，因此，做好顯示桌面微小形變的演示實驗非常重要和關鍵。由于課本上所提供的方案中平面鏡支架不好調節，激光器不僅不容易固定和控制，而且一般學校沒有。因此，在實際教學中，很多學校無法順利完成這一演示實驗。隨著多媒體教學的普及，在學校找一支激光筆非常容易。相比于教材上原來的演示實驗，本實驗的器材簡單、容易獲取，不需要花費額外成本，操作簡便，實驗現象可視性強，學生容易觀察，能和教材上原來的演示實驗達到相同的效果。用改進方案研究桌面微小形變的實驗過程，是基于事實證據對觀點和結論進行檢驗進而提出創造性見解的過程，不僅圓滿地完成了實驗教學任務，還落實了物理核心素養培養目標，能引導學生形成良好的科學思維。

二、利用日常物品改進課堂探究實驗

案例2：妙用教室白板探究力的合成規律

物品及器材：彈簧測力計（1個）、胸牌掛繩（1根）、鉤碼若干（50 g∕個）、剪刀（2把）、圓形鑰匙環（1個）、細繩套（2個）、帶刻度的大三角板（1個）、教室白板、白板筆（1支，筆尖細一些）。

方法：

1. 安裝器材

（1）將胸牌掛繩一端套在白板上方的多媒體投影裝置的橫桿上，另一端掛一個彈簧測力計。調整掛繩長度，使彈簧測力計高度適中。

（2）把鑰匙環掛在彈簧測力計掛鉤上，拴上兩個細繩套。

2. 操作并記錄數據

（1）把兩個細繩套分別穿過兩把剪刀的剪柄，并分別掛上適當的鉤碼。

（2）如圖3所示，甲、乙兩位同學一人手持一把剪刀的剪片（注意：剪片要合攏，避免劃到手受傷），通過調整剪柄的位置，讓鉤碼互成角度地通過細繩拉彈簧測力計，使彈簧測力計的彈簧適當伸長，掛鉤和鑰匙環的連接點到達某一位置O。丙同學用白板筆記下O點的位置、兩條細繩套的方向和彈簧測力計掛鉤的方向，并記錄此時彈簧測力計的讀數和兩組鉤碼的質量。

3. 處理數據、作圖，共同分析和研究實驗結果

（1）全班同學一起計算出兩組鉤碼的重力大小，即等于兩根細繩拉力F1、F2的大小。教師引導全班同學一起討論如何進行作圖研究。丁同學負責在白板上按同學們討論的結果作圖。首先，作F1、F2的反向延長線，找到兩條反向延長線的交點O'。選取適當標度，在白板上按標度從O'點開始作兩個拉力F1、F2的圖示，利用三角板根據平行四邊形定則求出合力F。

（2）按同樣的標度用刻度尺從O'點沿彈簧測力計掛鉤的反方向作彈簧測力計讀數F'的圖示，如圖4所示。則F為F1、F2合力的理論值，F'為F1、F2合力的實驗值。

（3）比較F'與F的大小和方向在誤差允許范圍內是否相同。

4. 改變兩組鉤碼的個數和兩根細繩的夾角，再重復兩次實驗

比較每次得到的F與F'在實驗誤差允許的范圍內的大小和方向是否相同。

實驗的巧妙之處：

（1）本實驗器材簡單，操作容易。就地取材、巧妙利用多媒體投影裝置的橫桿作為掛繩的支架，利用教室的白板替代原來實驗所需的白紙，不僅簡化了器材，而且避免了原實驗固定橡皮筋、木板、白紙等麻煩。用兩把剪刀的剪柄充當滑輪，讓學生通過移動手的位置來改變細繩拉力的方向，巧妙地避免了安裝滑輪和調整滑輪位置的困難，并且可以根據實際需要隨意改變拉力方向。

（2）本實驗可視性強，便于學生觀察。利用白板畫圖，不僅節省了紙，降低了實驗成本，而且作圖空間更大;彈簧測力計伸縮長度也比橡皮筋大得多。不僅在講臺上進行實驗操作的學生可以清楚地看到實驗現象和過程，坐在教室各個角落的學生都可以清清楚楚地看到實驗過程和細節，比原來的實驗更適合全班同學一起進行課堂探究。

（3）利用日常物品進行實驗，不僅克服了專用實驗器材不足帶來的困難，確保實驗正常開展，而且用學生身邊的常見物品和通用器材做實驗，拉近了物理和生活之間的距離，使學生更強烈地感受到物理就在生活中，就在自己身邊。

（4）本實驗只需要用一個彈簧測力計，讀數一次，進行一次操作就可以同時測出兩個分力和合力的大小及方向。一次完成實驗操作環節，縮短了實驗操作的時間，為實驗研究和討論環節留出了更充足的時間。

（5）甲、乙兩個同學既是實驗操作者，又是實驗器材的一部分，兩種身份的疊加，讓臺上參與實驗的學生和臺下觀察實驗的學生，都能感受到物理學科的趣味性，使學生更充分地融入課堂實驗當中，有利于調動他們學習物理的積極性。同時，甲、乙、丙、丁及全班同學的分工、交流、合作，有利于讓學生體會科學研究中相互合作和相互交流的必要性。用此實驗進行課堂合作探究，是在合作學習的基礎上，基于觀察和實驗獲取、處理信息，基于證據得出結論，對實驗探究過程和結果進行交流和總結的過程，培養了學生的科學探究能力。

實驗的不足和進一步改進措施：

（1）由于所用器材自身條件的限制，本方案的實驗誤差相對較大，但作為課堂合作探究實驗，能基本得出正確的實驗結論，取得良好的教學效果。

（2）鑰匙環體積相對較小，坐在最后面的學生不容易看清楚。我們可以在鑰匙環上加一個大大的指針，學生通過觀察指針的位置就可以確定鑰匙環的位置及其上下移動的情況。

三、利用日常物品開發新實驗突破教學難點

在學習合力與分力關系的過程中，我們通過理論分析得到一個重要的規律：“兩個分力大小一定，夾角越大，合力越小;夾角越小，合力越大。”通過幾何作圖或數學計算，學生很容易得出這一規律。但是由于缺乏實際經驗和感性認識，學生理解起來感覺抽象和枯燥。能不能通過實驗，讓學生觀察到這個現象呢？對此，我在案例2的基礎上，又設計了一個創新實驗，巧妙地幫助學生形象地理解這個規律。

案例3：案例2創新實驗

方法：如圖3所示，在兩個細繩套上分別掛上適當的鉤碼并保持鉤碼的質量不變，即保持兩條細線對鑰匙環的拉力大小不變，逐漸增大兩條細線的夾角，可以非常形象、直觀地看到，鑰匙環的位置逐漸向上移動，彈簧測力計的示數逐漸減小，說明細繩拉力的合力變小了;反之，逐漸減小兩條細繩的夾角，鑰匙環逐漸向下移動，彈簧測力計的示數逐漸增大，說明細繩拉力的合力變大了。

利用日常物品開發的新實驗來驗證合力與分力關系規律的過程，是利用實踐來檢驗科學結論的過程，讓學生體會到科學結論需要接受實踐的檢驗，體現了物理核心素養中的科學本質。同時，合力與分力關系規律對本實驗現象的解釋和說明是運用所學物理知識解釋實驗現象的過程，此實驗有助于培養學生形成物理基本觀念。

四、利用日常物品完成學生分組實驗

案例4：妙用PVC板驗證機械能守恒定律

物品及器材：舊PVC板（1片）、鐵架臺（1個）、泡沫板（1塊）、電火花計時器（1臺）、U型臺夾（3個）、大山夾（2個）、交流電源、紙帶等。

方法：

1.用U型臺夾把電火花計時器固定在PVC板的頂端，緊貼計時器下方固定一塊小泡沫板，防止計時器滑動。如圖5、圖6所示。注意：為了保護電火花計時器，防止電火花計時器在實驗過程中由于振動滑落，在U型臺夾和計時器之間墊一塊硬紙板。

2. 用兩個大山夾把PVC板豎直固定在鐵架臺上，一套“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置組裝完成，如圖7所示。

實驗的巧妙之處：“驗證機械能守恒定律”實驗是人教版高中《物理》（必修2）第七章中重要的學生分組實驗。打點計時器是高中物理實驗室的重要儀器，大多數學校都有配備。但要把打點計時器豎直固定在鐵架臺上，操作起來并不容易。利用固定在長木板上的打點計時器來進行實驗是最簡便的方法之一。但由于各個學校的實驗器材使用年份較長，不可避免有一部分長木板損壞，加之每個班級學生人數較多（以本人所在學校為例，一個班級有50～60人，一般以2到3人為一組），為了保證每個學生都盡量動手參與實驗，每次實驗大概需要20多套儀器。一般學校現有器材的數量不足以滿足分組實驗的需求。PVC板、泡沫板簡單易尋，PVC板質量輕且較薄，用兩個大山夾就很容易固定在鐵架臺上了。這個方案很好地解決了豎直固定打點計時器的困難，而且也解決了因器材不足而無法正常開展分組實驗的問題。利用日常物品組裝“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，確保了學生分組實驗的順利進行，也落實了高中物理核心素養當中科學探究素養的培養要求。

這些高一力學實驗案例，很好地解決了專用實驗器材不足或實驗效果不佳造成的無法正常開展物理實驗教學的困難，圓滿地完成了相關實驗教學任務。這些實驗所需的物品容易獲取，實驗設計起來也并不困難，只要我們開動腦筋，不僅能有效地解決在高中物理實驗教學中碰到的問題，落實高中物理核心素養培養的相關要求，而且能讓學生更深刻地體會到物理就在自己身邊，實現教學目標。利用日常物品改進或開發新實驗，是解決高中物理實驗器材短缺或實驗效果不佳的有效辦法。它促進了物理核心素養培育目標在高中物理實驗教學中的落實和發展，在高中物理實驗教學中發揮了積極的作用，值得我們進一步研究與探索。

◇責任編輯 邱 艷◇