巧用“筋膜槍”設計家庭物理實驗

摘" 要：家庭物理實驗是學生選用生活中常見的物品和工具，自制簡單儀器進行實驗探究的一種學習活動。本文利用生活中常見的運動康復器械“筋膜槍”設計了測定重力加速度、觀察水波的衍射與干涉、探究影響細繩駐波波腹數因素的三個家庭物理實驗，可以較好地豐富中學物理實驗教學資源，強化學生動手實踐和科學探究的能力，為培養學生核心素養提供良好的素材。

關鍵詞：家庭物理實驗；筋膜槍；實驗設計；核心素養

物理學科核心素養是學生在學習物理過程中逐步形成的正確價值觀、必備品格與關鍵能力。［1］實施以核心素養為導向的物理教學，教師需要轉變教學觀念，積極應用探究式教學模式，創設真實的物理問題情境，為學生自主探究物理問題提供時間和空間，讓學生在實驗探究中獲取知識、在問題解決中發展能力，體驗科學探究的樂趣，培養良好的科學研究態度。

高中物理課堂教學中，開展探究式教學需要占用大量的教學時間，還需提供足夠的實驗器材和場地。為彌補探究式教學模式在實際教學應用中的不足，適當地創設家庭物理實驗是一種較好的選擇。家庭物理實驗中學生利用常見的物品和工具，自制簡單儀器進行實驗探究，掌握科學探究的基本方法，有助于強化學生的動手實踐能力，培養創新意識，逐步形成物理學科核心素養。

1" 筋膜槍的功能與結構

筋膜槍是生活中常見的運動康復器械，通過其有力高頻的振動作用，加快使用者的血液循環，緩解因工作疲勞或劇烈運動而導致的肌肉酸痛。在家用按摩保養的工具中，筋膜槍的價格低廉、操作簡單，因此，筋膜槍在大眾生活中的應用越發普及。

如圖1（a）所示是本次實驗選用的筋膜槍，如圖1（b）所示是本次實驗筋膜槍的拆解部件。筋膜槍通過電機驅動軸承，并帶動偏心輪轉動，偏心輪的轉動轉換為連桿的前后往復運動，呈現槍頭的高頻振動，按動調頻按鈕可改變槍頭的振動頻率。［2］

（a）

（b）

2" 巧用“筋膜槍”設計家庭物理實驗案例

2.1" 測定重力加速度

2.1.1" 實驗裝置搭建

自由落體運動規律的建立，為測定重力加速度提供了一種方案。在人教版高中物理必修第一冊中，提供了打點計時器、頻閃照相等技術方法測定重力加速度，上述方案對實驗裝置和操作技能要求較高。［3］

因此，實際教學中學生動手操作實驗的機會受限。

如圖2（a）所示是利用筋膜槍測定重力加速度的裝置示意圖。如圖2（b）所示，利用方形硬紙盒作為墊塊，并固定在豎直墻面上；細木棍參考紙帶寬度折斷，并用熱熔膠粘連制成限位孔；使用雙面膠將紙帶與重物連接，復寫紙固定在方形硬紙盒表面，完成實驗裝置的搭建。

（a）

（b）

2.1.2" 實驗操作

將紙帶一端穿過方形硬紙盒的上下限位孔，向上提拉紙帶，使重物靠近方形硬紙盒的下邊緣。將筋膜槍與紙帶接觸，打開筋膜槍開關，擋位調至1擋50Hz處，待工作穩定后，釋放紙帶，讓重物帶著紙帶自由下落。打完紙帶后，關閉筋膜槍開關，取下紙帶。如圖3所示是實驗獲得的一條紙帶，從點跡清晰、間隔較大的某點開始，取連續七個印記點的中心作為計數點，分別用刻度尺測量相鄰計數點間的距離，利用逐差法計算重力加速度g＝（s4＋s5＋s6）－（s1＋s2＋s3）9T2

＝［（2.59＋3.02＋3.39）－（1.58＋1.85＋2.21）］×10－29×（0.02）2

m/s2≈9.3m/s2。

2.1.3" 誤差分析

四川省資陽市安岳縣所處地理位置的重力加速度大小約為9.79m/s2，本次實驗測得的重力加速度大小為9.3m/s2。利用相對誤差公式計算得到本次實驗的誤差為5.01％。進一步分析造成本次實驗誤差的主要原因有：①筋膜槍和紙帶、紙帶和方形硬紙盒三者之間的摩擦力以及空氣阻力，導致實驗測量值小于真實值，這是本實驗的系統誤差。②實驗中手持筋膜槍使其工作時不穩定，導致印記點分布與理論分布有差距。③用刻度尺測量距離時存在不可避免的讀數誤差，可以通過多次測量取平均值，以減小誤差。

2.2" 水波的衍射與干涉演示

2.2.1 "實驗裝置搭建

“波可以繞過障礙物繼續傳播，這種現象叫作波的衍射”；“頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列波疊加時，某些區域的振動總是加強，某些區域的振動總是減弱，這種現象叫作波的干涉”。［4］

人教版高中物理選擇性必修一中，提供了一款水波的干涉與衍射裝置，但是由于設備數量有限，無法滿足所有學生親自動手操作。如圖4所示是利用筋膜槍演示水波的衍射與干涉現象的實驗裝置示意圖，家庭生活中可以選擇適當的盛水容器，準備筋膜槍U形頭和子彈形頭，用硬塑料板制作單縫板。

2.2.2" 實驗操作

演示水波衍射現象時，筋膜槍安裝子彈形頭，打開筋膜槍開關，筋膜槍子彈形槍頭接觸水面，產生連續的水波，將單縫板插入水槽中，觀察水波波紋的變化。演示水波干涉現象時，筋膜槍安裝U形頭，打開筋膜槍開關，筋膜槍U形槍頭接觸水面，產生了兩列頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的水波，觀察水波波紋的變化。

2.2.3" 實驗現象

為了清晰地觀察和拍攝實驗現象，本次實驗選用了透明方形亞克力水槽，將其放置在LED超薄燈箱上，水中加入適當顏料。打開筋膜槍開關，產生了如圖5（a）所示的連續水波。如圖5（b）所示是本次實驗的水波衍射現象，觀察到水波可以繞過障礙物繼續傳播。如圖5（c）所示是本次實驗的水波干涉現象，水面上出現了一條條相對靜止的區域和激烈振動的區域，且這兩類區域在水面上是穩定的。

（a）

（b）

（c）

2.3" 探究影響細繩駐波波腹數的因素

2.3.1" 實驗裝置搭建

魯科版高中物理選擇性必修一第三章第3節《波的干涉和衍射》中對駐波進行了拓展，對駐波產生的條件、駐波的波節和波腹做了相關解釋。［5］

為拓寬學生物理學習視野、加深對駐波的了解，教師設計了探究影響細繩駐波波腹數因素的實驗。如圖6所示是利用筋膜槍探究影響細繩駐波波腹數因素的裝置示意圖。開展該家庭物理實驗需要準備一根細繩，選取一段硬質塑料管，用熱熔膠將其粘連在筋膜槍槍頭位置，完成實驗裝置的搭建。

2.3.2" 實驗操作

細繩駐波波腹數與細繩長度L、自由振動頻率f、張力T、線密度μ有關。具體的細繩駐波波腹數表達式為n＝2LfμT。［6］

由此可見細繩的長度和自由振動頻率對細繩駐波波腹數的影響很大。本次設計的家庭物理實驗，著重探究細繩長度和自由振動頻率對駐波波腹數的影響。

將細繩穿過筋膜槍槍頭的硬質塑料管，其一端固定，另一端用水平恒力拉直。打開筋膜槍開關，槍頭帶動細繩上下振動，產生入射波，在細繩固定樁反射，形成反射波，當入射波與反射波相疊加，振幅最大處即為波腹。控制筋膜槍振動頻率一定，改變細繩長度，觀察并記錄波腹數；控制細繩長度一定，改變筋膜槍振動頻率，觀察并記錄波腹數。

2.3.3" 實驗現象

本次實驗選用發光跳繩，在黑暗的環境下進行實驗操作。筋膜槍30擋為50Hz、60擋為100Hz、90擋為150Hz。首先控制自由振動頻率為50Hz，改變細繩長度分別為1m、1.5m、2m，其次控制細繩長度為1.5m，改變自由振動頻率分別為50Hz、100Hz、150Hz，得到如表1和表2所示的兩組實驗結果。結果表明，細繩張力恒定的條件下，細繩長度越長、自由振動頻率越大，細繩的駐波波腹數越大。

3" 開展家庭物理實驗的問卷調查

3.1" 開展家庭物理實驗前問卷調查

開展家庭物理實驗需要充分了解學生、家長的意愿。在活動開展前利用“問卷星”對相應四個班級的學生和家長進行了匿名問卷調查，共收到有效問卷428份，調查結果如圖7所示。

學生問卷調查環節，在問題1“物理課堂教學中你是否經常參加實驗操作？”中，僅有4.48％的學生會經常參加實驗操作，且有43.3％的學生極少參與或沒有參與；在問題2“你是否對本次設計的家庭物理實驗案例感興趣？”中，有92.5％的學生有興趣；在問題3“你是否愿意參與本次家庭物理實驗活動？”中，同樣有92.5％的學生愿意參加此次家庭實驗活動。

家長問卷調查環節，在問題1“您覺得在家開展物理實驗是否對孩子的學習有幫助？”中，有97.01％的家長認為開展家庭物理實驗有助于學生學習物理知識；在問題2“您支持孩子在家開展簡單的物理實驗嗎？”中，僅有2.99％的家長不支持；在問題3“本次實驗需要筋膜槍，您是否支持孩子購買？”中，有94.03％的家長支持，有5.97％的家長不支持。

通過問卷調查，發現課堂教學中學生動手操作實驗的機會受限，因此較多學生對本次家庭物理實驗感興趣，絕大多數學生和家長愿意開展本次家庭物理實驗活動。但班級中有少數家長和學生還無法接受家庭物理實驗，因此教師在實驗室準備了筋膜槍等實驗用品，供學生利用課余時間進行操作。

3.2" 開展家庭物理實驗后問卷調查

為了檢驗開展此次家庭物理實驗的效果，對學生再次進行問卷調查。調查結果如圖8所示，在問題1“通過本次家庭物理實驗能否幫助你理解相關知識？”中，有88.06％的學生認為開展此次家庭物理實驗對學習相關知識有幫助；在問題2“家庭物理實驗的開展能否激發你學習物理的興趣和科學探究的欲望？”中，有91.05％的學生認為家庭物理實驗能夠提升興趣；在問題3“你希望此類家庭物理活動今后繼續開展嗎？”中，有37.31％的學生希望繼續開展，有53.73％的學生認為可以少量開展。

問卷調查結果表明，利用筋膜槍設計家庭物理實驗的活動，可以有效地激發學生的學習興趣，對學生理解理論知識有一定幫助。絕大多數學生希望在今后的物理學習過程中開展適當的家庭物理實驗（少數家庭條件不足的同學，可從實驗室借用器材，開展家庭物理實驗）。在課堂教學的基礎上，鼓勵學生利用身邊的物品創造科學實驗條件，在真實情境中提出問題，通過科學方法收集證據、得出結論，體驗科學探究的樂趣，有助于學生養成良好的科學研究態度，不斷提高學生的探究能力和科學素養。

4" 結語

本文借助“筋膜槍”設計了測定重力加速度、觀察水波的干涉與衍射、探究影響細繩駐波波腹數因素的三個家庭物理實驗案例。為了調研家庭物理實驗實施的價值，對涉及的三個實驗案例進行教學實踐。通過學生和家長的問卷調查，了解到絕大多數學生和家長支持并愿意參與。家庭物理實驗結束，及時對學生進行了問卷調查，結果表明本次活動為學生創造了實驗探究的機會，有效地彌補了探究式課堂教學的不足。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［M］．北京：人民教育出版社，2020：1-4.

［2］平忠源，林建華，鄭清等.筋膜槍研究進展概述［J］.文體用品與科技，2022（10）：187-189.

［3］人民教育出版社" 課程教材研究所" 物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書" 物理" 必修" 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：47-53.

［4］人民教育出版社" 課程教材研究所" 物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書" 物理" 選擇性必修" 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2020：67-78.

［5］人民教育出版社" 課程教材研究所" 物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書" 物理" 選擇性必修" 第一冊［M］.濟南：山東科學技術出版社，2019：71-77.

［6］羅小成，蔡雨，李代福.駐波演示儀的設計及應用研究［J］.物理教學探討，2022，40（8）：52-55.