靈活利用家用物品 巧妙自制物理教具

孫寶印 楊婷妍 王芳蘇 周 坤*

(1. 蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006； 2. 蘇州大學文正學院，江蘇 蘇州 215000)

物理是一門實驗科學，實驗教學是物理教學的重要組成部分，在課堂教學中教師都很重視實驗的引入.一方面，加涅信息加工理論認為學習過程就是一個信息加工的過程，學習新知識時需要借助以往認知，教師在實驗教學時，如果直接引入學生從未見過的或與學生認知脫節的儀器，會造成學生理解上的困難；另一方面，在全國抗擊新冠肺炎疫情的特殊時期，教師在家網絡授課，學校的實驗儀器不在身邊，難以開展實驗.為解決以上難題，需要教師做一個有心人，善于發現家中跟物理教學相關的物品，并對這些物品加以改造，制作成物理教具并用于教學.這樣在物理教學中盡可能的增加實驗教學，不僅可以幫助學生對物理知識的理解，增加對物理的親切感，提高學習物理的興趣，而且對學生的物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度和責任等學科核心素養的養成具有重要的意義.

1 自制大氣壓力演示儀，輔助學生概念理解，促進物理觀念養成

人們雖然生活在空氣當中，但是對大氣壓的存在卻“毫無感覺”，直到馬德寶半球實驗出現，人們才恍然大悟.馬德寶半球實驗效果明顯，但是對器材和操作要求比較高，在課堂中演示這個實驗比較困難.對于驗證大氣壓力的存在，蘇科版《物理》八年級下冊給出易拉罐冷卻變憋實驗，即在空易拉罐中加入少量水，加熱至沸騰，然后用橡皮泥封住罐口，讓易拉罐自然冷卻，過一段時間易拉罐會發生變憋的現象.這個實驗雖然效果也明顯，但是存在水從液態到氣態，排出空氣，再到氣態水變成液態水，這里面涉及到物質狀態的改變以及物質種類的變化，這給學生分析物理過程造成困難，因此，在對學生提問易拉罐變憋原因時，許多學生由于認知的限制，回答是“熱脹冷縮”，這與易拉罐被大氣壓憋的結論南轅北轍.其次，實驗中會加熱至100 ℃，有一定的安全風險.因此，筆者利用家中的餐桌墊和柜門把手，制作了能夠直接演示大氣壓力的實驗儀，具體如下.

1.1 制作過程

實驗器材：軟桌墊，墊片，柜門把手，方凳等；

(1) 選取柔軟皮質的桌墊，此種材質的桌墊吸附力強，演示效果明顯，尺寸選擇30×30 cm；

(2) 在軟墊中央位置鉆一個小孔，選取一個塑料柜門把手，加上墊片，固定在墊子中央小孔處，作為儀器的把手，確保固定牢固.

1.2 實驗操作

第1步：選取一個方凳或者小方桌，把自制大氣壓力演示儀放在上面，攤平排出空氣.

第2步：拉住把手向上提，發現方凳或小方桌可以被把手連著墊子提起來，如圖1所示.

第3步：放下儀器，不從中央把手處，而是從儀器邊緣提起一角，發現墊子直接被提起，方凳或小方桌不會被提起，如圖2所示.

第4步：估算墊子所受大氣壓力的大小.

圖1 從邊緣拉壓力演示儀

圖2 從中間拉壓力演示儀

總結： 大氣壓力容易被人忽視，學生在生活中可能并未建立起大氣壓力具體有多大的概念.本實驗儀通過提起一個方凳或小方桌來讓學生產生一個直觀印象，讓學生自己估算出大氣壓力的大小.這就培養了學生應用所學物理知識解釋身邊的現象和解決生活中問題的能力，也有助于學生形成“物理觀念”，養成物理的自然觀，進而實現學科素養的提升.

2 自制靜電實驗儀，指導學生科研方法，發展科學思維素養

電蚊拍是家中常備之物，學生在生活中經常使用電蚊拍滅殺蚊蟲，也對按下開關后出現的放電現象感到好奇，甚至也有被電蚊拍電過的“慘痛”經歷.電蚊拍的工作原理是通過高頻振蕩電路把3 V直流電轉化為18 kHz左右的高頻交變電流，再通過3倍壓整流電路把交流電轉換為1500 V左右的直流電，通到電蚊拍的金屬網上.當蚊蟲觸及電網時，造成電網短路，產生電流或電弧將蚊蟲擊斃或電暈.電蚊拍的內部電路能產生小于1 mA高壓直流,對人沒有危險，可以用來做高壓靜電實驗.靜電實驗儀制作過程和操作方法如下.

2.1 制作過程

實驗器材：電蚊拍，易拉罐，香煙的錫紙，塑料瓶，塑料泡沫板，導線，剪刀等.

(1) 用剪刀把易拉罐剪成圓片，直徑約為12 cm，制作4個圓片；

(2) 把錫紙用手搓成許多小圓球，數量為50個，小圓球直徑不超過0.5 cm；

(3) 選取口徑較大的塑料瓶，直徑10 cm-12 cm，用剪刀剪下高為5 cm左右的環形邊；

(4) 選取做好的2個圓鋁片和環形邊組成封閉容器，里面裝上做好的小錫球，用熱熔膠固定，這就是靜電跳球實驗儀，如圖3所示；

(5) 選取做好的2個圓鋁片，平行插入塑料泡沫板上，使兩板距離為5 cm，用手搓一個直徑為1 cm的錫球，用細線系住使之懸在2圓片之間，這就是靜電擺球實驗儀，如圖4所示.

2.2 實驗操作

第1步：演示靜電跳球.

選取兩頭都為夾子的導線，一根導線接在電蚊拍高壓電網的內網上，另一根接在外網上(內網和外網之間是高壓)，兩根導線的另一端分別接靜電跳球實驗儀的2個鋁片上，如圖3所示，打開電蚊拍電源開關，可以觀察到錫球在上下兩板間來回跳動.

第2步：演示靜電擺球.

用導線把擺球實驗儀的兩塊鋁片分別接到電蚊拍高壓電網的內外網上，如圖4所示，打開電蚊拍，可以觀察到錫紙小球在兩個鋁片間來回擺動.

圖3 靜電跳球

圖4 靜電擺球

總結：以上兩個靜電實驗的原理大體一致，電蚊拍電源打開時產生的高壓電荷被送到兩個鋁片上，由于帶上電荷的物體具有吸引輕小物體的性質，錫紙搓成的小球就被吸引過去了.當小球接觸到鋁片時，會帶上與之極性相同的電荷.由于同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引，帶上電荷的小球就會被排斥，同時又會被另一個鋁片吸引.當接觸到另一個鋁片時，由于小球的電荷與這個鋁片的電荷不同，小球中的電荷立刻被中和，并且帶上與這個鋁片相同的電荷.這時，小球又會被這個鋁片排斥，被另一個鋁片吸引.如此往復，小球就不停地跳動或擺動起來.

本靜電實驗儀制作簡單，而且使用電蚊拍作為電源，讓學生感覺親切，使物理實驗貼近生活，接地氣.而且實驗中注重引導學生對物理現象的分析和推理論證，例如讓學生分析小球與兩極板碰撞過程中所帶電荷極性變化情況，這個過程可以訓練學生掌握模型構建、科學推理、科學論證的等科學研究方法，提升學生的“科學思維”素養.

3 自制聲音顯示儀，培養學生設計能力，提升科學探究素養

聲音是人類從外界獲取信息的一種重要方式，但人們經常注重“眼見為實”，所以如何把用耳朵聽的聲音與視覺實驗結合起來是聲音演示實驗的一個亮點.聲音是由于物體機械運動而產生的縱波，聲音具有能量.頻率和振幅是描述波的重要屬性，頻率的大小與我們通常所說的音高對應，而振幅影響聲音的大小.聲音作為波的一種，為了能夠簡單方便地演示聲音圖形，反映不同頻率和幅度的聲音差異，我們利用生活中常用的塑料瓶和氣球自制了一個聲音顯示儀.

3.1 制作過程

實驗器材：圓形塑料瓶(比如裝堅果的塑料瓶)，氣球，小鏡片，激光筆，剪刀等.

(1) 用剪刀把塑料瓶底剪掉；

(2) 用剪刀把氣球的氣口處剪掉，使口子處容易拉寬；

(3) 把氣球套在塑料瓶上，固定住；

(4) 用雙面膠把小鏡片貼在氣球中央位置，做好實驗裝置如圖5所示.

3.2 實驗操作

(1) 嘴對著塑料瓶缺口一端，拿激光筆對準小鏡片，光點反射在墻壁上；

(2) 持續發出“啊”的聲音，觀察激光斑點的圖形；

(3) 改變聲音的大小，觀察圖形變化；

(4) 持續發出“嗚”的聲音，觀察激光斑點的圖形；

(5) 改變聲音的大小，觀察圖形變化.實驗結果如圖6所示.

圖5 聲音顯示器

圖6 不同頻率和幅度顯示圖形

總結：人們在發出不同話語時，聲音振動的幅度和頻率是不一樣的，而聽眾接受到的頻率和幅度也不一樣，能量也不一樣.當人在聲音顯示儀的另一端說話時，在墻上會顯示激光的斑點運動軌跡，說相同單字語音時，光斑一致，當音量變大時，形狀不變但光斑變大；說不同語音時，光斑形狀不一致.這說明頻率會改變光斑形狀，而幅度會改變光斑的大小，實驗現象如圖6所示.

此實驗是利用家中常用物件制作聲音顯示裝置，在實驗過程中，需要引導學生對所提問題進行猜想和假設，讓學生自己設計實驗，形成研究方案，然后通過實驗來驗證自己的猜想，得到實驗結論.通過此過程教師可以培養學生的探究能力和引導學生對探究結果進行交流和分析.因此，通過與生活密切相關的自制聲學顯示儀可以很好地培養學生的設計能力，提升科學探究素養.

4 自制椎體上滾實驗儀，培養學生質疑精神，提高科學態度和責任意識

牛頓萬有引力定律告訴我們，在重力場中可以自由運動的物體，其平衡位置是其重力勢能極小的位置.處于重力場中的物體當它的重力勢能不是極小值時，重力的作用總會使它向重力勢能減小的方向運動，即“物體自然下落”.但是河北邢臺就有這樣一處怪坡，在坡上騎車，下坡時費力而上坡卻省力，其實這是一種“視覺錯覺”，給人一種水往高處流的錯覺.為了演示這一現象，我們利用家庭常見物品，自制了椎體上滾演示儀.

4.1 制作過程

圖7 椎體上滾實驗儀

錐體上滾演示實驗裝置如圖7所示，由2根金屬橫桿，1個雙錐體構成.該儀器軌道的角度固定，但可調節高度.金屬橫桿構成的軌道從側面觀察起來像一個斜坡.金屬雙錐體是對稱的兩個椎體，兩端尖且薄.材料規格如下.

(1) V型軌道.

選取家庭常用的兩塊高度不同的椅子坐墊：較矮的墊塊高度h1=5.10 cm , 較高的墊塊高度h2=7.80 cm，高度差H=2.70 cm，軌道在開口端兩端的距離D=10.5cm，軌道的傾角γ=3.5°.

(2) 雙錐體.

兩個漏斗：母線長l=8.90cm，錐體半徑r=4.55cm ,錐體頂角α=60.5°，錐體半長度d=7.50cm，雙面膠(粘連兩個漏斗).

4.2 實驗操作

(1) 將兩個漏斗口對口粘好，然后將低端和高端墊塊分別放置在左右兩側；

(2) 在墊子上放上鐵質軌道，低端封口，高端張口，調整好軌道角度；

(3) 將雙椎體放在軌道上，如圖8所示，會看到圓錐體由慢變快向上滾動，若上滾距離較短，可適當張開一些軌道的角度.

(4) 調整導軌張角和墊子距離，如圖7所示，觀察實驗現象.

總結：本實驗采用的都是學生熟悉的家庭物件，比如坐墊，蚊帳桿，倒油用的漏斗，拉進了物理與生活距離.通過實驗的視覺錯覺對學生產生震撼，激發學生思考，是否機械能不守恒？從而引出影響重力勢能大小的因素.實驗訓練了學生質疑精神，讓學生產生實踐是檢驗真理的唯一標準的科學理念，培養了學生樹立正確的科學態度和擔負科學責任的意識.

靈活利用家用物品，巧妙自制物理教具.不僅可以拉近物理與生活的距離，讓物理更加有趣，提高學生學習的興趣，而且有助于學生“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”以及“科學態度和責任” 等物理學科核心素養的提升，促進學生全面發展.