例談高中物理實(shí)驗(yàn)改進(jìn)技能

邵合義

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)物理知識(shí)、體驗(yàn)物理樂趣、探索物理規(guī)律的重要途徑?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)”，并建議“突出物理學(xué)科特點(diǎn)，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用”。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅僅是物理學(xué)科最重要內(nèi)容之一，更是落實(shí)三維目標(biāo)的一種最佳教學(xué)方式和教學(xué)過程。

一個(gè)優(yōu)秀的物理實(shí)驗(yàn)必須現(xiàn)象明顯、簡易方便、主題明確和富于探究。筆者認(rèn)為教材中提供的一些實(shí)驗(yàn)需要改進(jìn)，方能達(dá)到這4個(gè)要求。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐案例，談?wù)劯咧形锢韺?shí)驗(yàn)改進(jìn)的幾種常見辦法。

巧用投影儀讓實(shí)驗(yàn)更容易觀察

有些物理現(xiàn)象所能顯示的變化本來就很微小，不利于遠(yuǎn)距離觀察；測(cè)量工具的讀數(shù)適合近距離教學(xué)，不利于教師在講臺(tái)上面向全體演示和教學(xué)。為了使演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更清楚，就有必要采用各種放大方法，利用投影儀放大是最佳的方法之一。

投影刻度讀數(shù)游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、秒表、萬用電表等測(cè)量工具的讀數(shù)教學(xué)本身就是難點(diǎn)，也是高考的重難點(diǎn)。教師面對(duì)面對(duì)學(xué)生輔導(dǎo)指導(dǎo)效果較好，而面對(duì)全班學(xué)生示范幾乎無效。但是把游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、秒表等放在投影儀上，使用圖像放大功能投影到銀幕，放大效果會(huì)非常好，刻度非常清晰。

投影實(shí)驗(yàn)過程由于儀器體積比較小、學(xué)生近視眼很多、講臺(tái)的高度不夠高、后排的學(xué)生視線很容易被前排學(xué)生所擋等原因，許多演示實(shí)驗(yàn)不利后排和兩邊的學(xué)生觀察。教師可以把投影儀的攝像頭對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)過程轉(zhuǎn)化到銀幕上。有時(shí)還可以采取圖像凍結(jié)功能，進(jìn)行現(xiàn)象或讀數(shù)前后對(duì)比教學(xué)。

投影實(shí)驗(yàn)局部一些實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，特別是數(shù)據(jù)變化、操作細(xì)節(jié)、重要現(xiàn)象必須讓全體學(xué)生關(guān)注。教師可以用投影儀把這些重要環(huán)節(jié)投影到銀幕上。在有關(guān)實(shí)驗(yàn)中電阻箱的數(shù)字變化、滑動(dòng)變阻器的觸頭移動(dòng)、發(fā)光二極管的亮度變化、彈簧秤示數(shù)的變化、電表指針移動(dòng)等細(xì)節(jié)操作和數(shù)據(jù)變化有必要突顯在銀幕上。

利用現(xiàn)代化設(shè)備讓實(shí)驗(yàn)更完善

利用常用儀器、教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是一種最基本的手段。利用電腦、數(shù)字實(shí)驗(yàn)和數(shù)碼錄像設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更是教學(xué)現(xiàn)代化發(fā)展的必然。

采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是把傳感器和計(jì)算機(jī)有機(jī)整合，能夠獨(dú)立或者與傳統(tǒng)的儀器結(jié)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)是快速、高精度地實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄和分析處理。不僅提高教學(xué)效率，而且能解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以在課堂演示的實(shí)驗(yàn)。利用傳感器做牛頓第三定律實(shí)驗(yàn)，電腦能立即顯示出相互作用力大小的關(guān)系曲線，直接獲得“相互作用力的大小相等方向相反”的結(jié)論，還可以獲得“相互作用力大小方向關(guān)系與物體加速、勻速、減速等運(yùn)動(dòng)形式無關(guān)”的結(jié)論。

采用Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel，將依照設(shè)定自動(dòng)完成計(jì)算、繪圖。在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系式實(shí)驗(yàn)中，把質(zhì)量和加速度的數(shù)據(jù)輸入Excel，采用圖表向?qū)е姓劬€圖就可以獲得反比例曲線；再把質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成質(zhì)量倒數(shù)的數(shù)據(jù)，就可以得到正比例曲線。在光的折射定律教學(xué)中，根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)獲得入射角i和折射角r的一系列數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生做大量的假設(shè)，如i=kr、i=kr2、i=kr-2、i=klgr、sini=ksinr、cosi=kcosr等函數(shù)關(guān)系，利用Excel計(jì)算和畫曲線功能，擬合曲線“發(fā)現(xiàn)”折射定律。學(xué)生在半小時(shí)內(nèi)就可以經(jīng)歷和體會(huì)科學(xué)家200年的探索過程。

使用日用品和玩具讓實(shí)驗(yàn)貼近生活

演示實(shí)驗(yàn)要做到3個(gè)簡單，即儀器結(jié)構(gòu)簡單、操作簡單和由演示現(xiàn)象到得出結(jié)論的過程簡單。瓶瓶罐罐當(dāng)儀器做實(shí)驗(yàn)，效果更貼近學(xué)生的生活，往往達(dá)到出其不意的效果。用生活中的日常用品和玩具做實(shí)驗(yàn)的案例很多。

演示完全失重現(xiàn)象，可以用一瓶礦泉水做實(shí)驗(yàn)。在礦泉水瓶上扎幾處洞，水會(huì)從洞里噴出，學(xué)生知道水從洞里流出是因?yàn)樗哂兄亓?。把有水的礦泉水瓶在空中拋來拋去，很多學(xué)生擔(dān)心水灑到頭上而慌張躲避，結(jié)果虛驚一場(chǎng)——由于“完全失重”，水不會(huì)從洞里流出。

研究小車車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及其對(duì)地面的摩擦力的方向，可以用玩具電動(dòng)小車、長條三合板、幾只圓柱形鉛筆做實(shí)驗(yàn)。把鉛筆平行等距擺放，上放三合板，把電動(dòng)小車啟動(dòng)后放在三合板上，就會(huì)發(fā)現(xiàn)小車和三合板做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而判斷摩擦力方向，進(jìn)一步理解相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

用學(xué)生肢體讓實(shí)驗(yàn)更直接

大部分實(shí)驗(yàn)都是通過學(xué)生的眼睛觀察實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)際上有些實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生親身體驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)以感性為主，效果很妙，如果配套其他實(shí)驗(yàn)，效果非常好。

在做力的相互作用實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生用左右大拇指做實(shí)驗(yàn)。首先讓左手大拇指輕輕壓向右手大拇指，體驗(yàn)2只拇指的受力；分開后，再讓右手大拇指輕輕壓向左手大拇指，體驗(yàn)2只拇指的受力；最后，讓2只大拇指互相靠攏擠壓，體驗(yàn)2只拇指的受力。學(xué)生很容易獲得“力的作用是相互的、力大小相等”的結(jié)論，甚至獲得“相互作用力同時(shí)產(chǎn)生不分先后”的結(jié)論。也可以讓學(xué)生用食指敲打桌面，學(xué)生會(huì)明顯感到食指痛感是因?yàn)槭持甘艿阶烂娴姆醋饔昧?。再配套彈簧秤?shí)驗(yàn)和傳感器實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就經(jīng)歷肢體感性實(shí)驗(yàn)、傳統(tǒng)粗略的定量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代化的精確的定量實(shí)驗(yàn)的不同。

在滑動(dòng)摩擦力的方向和大小演示實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生把手緊緊壓在桌面上的同時(shí)往回拉，學(xué)生就會(huì)從手掌肌肉感受到滑動(dòng)摩擦力的方向。如果讓一個(gè)學(xué)生把手壓在另一個(gè)學(xué)生的手背，他就會(huì)體會(huì)到“壓力越大，滑動(dòng)摩擦力也會(huì)越大”。

在運(yùn)動(dòng)的合成實(shí)驗(yàn)中，先讓一個(gè)學(xué)生站著，一手握拳平平伸出，模擬水平勻速運(yùn)動(dòng)；后蹲下并緩慢站起，模擬勻速上升；再蹲下緩慢站立，同時(shí)握拳平伸，感受拳頭同時(shí)做向上勻速運(yùn)動(dòng)和水平勻速運(yùn)動(dòng)，別的學(xué)生觀察到拳頭是做傾斜的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

略加改進(jìn)提高實(shí)驗(yàn)的效率

教材提供的有些實(shí)驗(yàn)方案，效果欠佳，需要進(jìn)行改進(jìn)。通?；c(diǎn)心思，略加改進(jìn)，就可以增加效果。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法在演示靜摩擦的大小與滑動(dòng)摩擦力的大小的關(guān)系時(shí)，教材采用用手直接拉彈簧秤的方法（圖1甲），手拉的力很不均勻，彈簧秤指針會(huì)不穩(wěn)定，效果很差。略加改進(jìn)，如圖1乙，用手拉木板，實(shí)驗(yàn)即容易成功。

改換實(shí)驗(yàn)重要器材探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)是很難成功的，定量的研究圖像法更是無從下手。根本原因：一是平衡摩擦不好把握，二是恒力F=mg太大誤差很大，恒力太小則小車又不動(dòng)。如果采用氣墊導(dǎo)軌來減小摩擦，分別用5 g、10 g、15 g、20 g的鉤碼替代恒力，則實(shí)驗(yàn)效果很好。

改換觀察儀器在楞次定律的實(shí)驗(yàn)中，利用靈敏電流計(jì)觀察感應(yīng)電流的方向，指針先偏向一個(gè)方向再返回，甚至來回?cái)[動(dòng)。接線柱在底部也不容易觀察。筆者采用紅色和黃色2種發(fā)光二極管，如圖2所示，通過二極管發(fā)光情況就可以知道感應(yīng)電流的方向，而且根據(jù)亮度可以判斷感應(yīng)電流的大小。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)順序在做牛頓管實(shí)驗(yàn)中，通常步驟是先演示鵝毛等在空氣中下落，再演示把牛頓管抽成真空后的現(xiàn)象，如此，在教室里抽氣過程時(shí)間長、噪音大。如果先在實(shí)驗(yàn)室把牛頓管抽成真空，演示物體在真空中下落，再演示在空氣中的情況，則可以縮短由現(xiàn)象到結(jié)論的時(shí)間。

添加一點(diǎn)附件在自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)中，添加二極管，采用二極管和小燈泡串聯(lián)（圖3），有利于判斷感應(yīng)電流的方向。在運(yùn)動(dòng)合成實(shí)驗(yàn)中，難以判斷玻璃管里的紅色蠟塊是做勻速上升運(yùn)動(dòng)。如果在玻璃管上等距扎上3條橡皮筋，讓學(xué)生用秒表、手表以及手機(jī)的秒表功能粗測(cè)時(shí)間，就可以解決這個(gè)問題。

實(shí)驗(yàn)始終是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，是提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新精神、實(shí)踐動(dòng)手能力的重要途徑，也是實(shí)施物理新課程改革的重要條件和重要的課程資源。因此，在新課程教學(xué)中不僅僅要重視實(shí)驗(yàn)，更要通過各種途徑改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，改善實(shí)驗(yàn)。

（作者單位：浙江省臺(tái)州市椒江中學(xué)）