劉翠青,李敏兒,陳堉馳
(韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系,廣東 潮州521041)
2011年8月2 —4日,由中國(guó)教育學(xué)會(huì)主辦、西華師范大學(xué)承辦的全國(guó)第3屆大學(xué)生物理教學(xué)技能大賽在四川南充舉行.本次大賽共有來自北京師范大學(xué)、首都師范大學(xué)、東北師范大學(xué)、華東師范大學(xué)、華南師范大學(xué)、南京師范大學(xué)等全國(guó)91所高校的661名學(xué)子(含36名研究生)參加.大賽共分27組,每組25名選手,從25名選手中勝出者為特等獎(jiǎng).我院派出物理與電子工程系的6名選手參賽,選手李敏兒、黃冬妮、陳陽陽獲特等獎(jiǎng),陳堉馳、劉淑孝獲一等獎(jiǎng),楊少彬獲二等獎(jiǎng).下面介紹其中2個(gè)課題中的精彩的實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)與制作過程,旨在激發(fā)對(duì)自制教具的興趣和重視,希望有更多、更有創(chuàng)意的低成本實(shí)驗(yàn)教具的出現(xiàn),豐富和充實(shí)中學(xué)物理課堂教學(xué)資源,滿足和實(shí)現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中學(xué)物理教學(xué)的要求.
在創(chuàng)設(shè)情景、導(dǎo)入課題中演示開口瓶倒立水不流的趣味實(shí)驗(yàn)(圖1):首先握住瓶子,向瓶?jī)?nèi)加滿水后,蓋上塑料板(紙板也可以,但塑料板和紙板都需貼上表面光滑的廣告紙,起防水作用),然后將瓶倒轉(zhuǎn),這時(shí)塑料板不會(huì)掉下來,水也不會(huì)流出來;接著輕輕地吹掉塑料板,會(huì)發(fā)現(xiàn)水依舊沒有流出來;若傾斜瓶子,水卻流出來;最后再次倒立時(shí),水反而不會(huì)流出來,這時(shí)再晃動(dòng)瓶子,水流出來,停止晃動(dòng),水又不會(huì)流出來.利用時(shí)而水流時(shí)而水不流的現(xiàn)象,制造了層層懸念,為學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)了問題情境,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,為導(dǎo)入課題做了良好的鋪墊.
圖1 表面張力實(shí)驗(yàn)演示圖
瓶口粘有細(xì)網(wǎng)的塑料瓶如圖2所示.
圖2 瓶口粘有細(xì)網(wǎng)的塑料瓶
為了使實(shí)驗(yàn)演示效果明顯、便于制作和攜帶,實(shí)驗(yàn)采用了生活中常見的飲料瓶,瓶高約18 cm,瓶口直徑約4 cm.
網(wǎng)狀物的網(wǎng)孔大小在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中起著決定性的因素,因此網(wǎng)孔大小的選擇就成了制作的關(guān)鍵.若網(wǎng)孔直徑大于2 mm的鋼絲網(wǎng),水很快就會(huì)流出來,而密集的網(wǎng)孔在裝水時(shí)水無法順利地倒入杯子.通過不斷的試驗(yàn),最終選用了直徑約為1 mm的網(wǎng)孔.而本實(shí)驗(yàn)采用的材料來自廢棄保溫杯中的過濾網(wǎng),后來還嘗試家庭中窗戶紗窗的制作廢料,效果一樣明顯.
制作過程只需將網(wǎng)狀物裁剪成瓶口大小,然后用硅膠將網(wǎng)狀物粘合在瓶口處.該過程需要反復(fù)進(jìn)行,同時(shí)用剪刀剪除多余的膠,使粘合處平整,防止在瓶子側(cè)面看出粘合的痕跡,使整個(gè)教具美觀大方.在粘合過程或?qū)嶒?yàn)后網(wǎng)狀物可能會(huì)出現(xiàn)凹陷下去的現(xiàn)象,此時(shí)可用針或其他工具將網(wǎng)挑平.
這個(gè)實(shí)驗(yàn)常常會(huì)使人想起大氣壓強(qiáng)的覆杯實(shí)驗(yàn),誤認(rèn)為是大氣壓強(qiáng)的原因.其實(shí)水不流出來是因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔檬辜?xì)鋼絲編成的網(wǎng)孔形成了水膜,從而水不會(huì)流出.而傾斜或晃動(dòng)瓶子,就無法形成完整的水膜,因而水流了出來.
該實(shí)驗(yàn)充滿趣味性,一開始學(xué)生會(huì)以為是覆杯實(shí)驗(yàn)而忽視,但是當(dāng)學(xué)生看到塑料板掉下后水依舊不會(huì)流出來時(shí)就會(huì)產(chǎn)生疑問和興趣,同時(shí)當(dāng)他們看到水在傾斜時(shí)流出而再次倒立時(shí)卻流不出來,則會(huì)更加驚訝,每一步操作都可以引起學(xué)生的注意,為此,該實(shí)驗(yàn)作為導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)的效果比較好.
在探究物體維持穩(wěn)定的條件時(shí),通過穩(wěn)度判定儀的直觀演示,不斷地改變支撐面積的大小和重心位置的高低,得出結(jié)論:物體穩(wěn)定的條件是重力作用線(重心在底面上的投影)必須落在物體支撐面積以內(nèi).當(dāng)重心投影超出支撐面積范圍時(shí),則無法保持穩(wěn)定.
穩(wěn)定度判定儀如圖3所示,由1根螺紋鐵棒連結(jié)在一起的2個(gè)方形木框,用1根繩子交叉連結(jié)2個(gè)木框的中點(diǎn),交點(diǎn)就是儀器的重心位置,用1盞小燈(擠壓燈口可打開紅燈)標(biāo)示重心位置在底面上的投影.
圖3 穩(wěn)定度判定儀
穩(wěn)定度判定儀的原型是折疊式木框布書架,撤去外圍的布料之后就得到2個(gè)分散的方形木框,1個(gè)大(外)框,1個(gè)小(內(nèi))框.在內(nèi)外木框的木條中間分別鉆孔,然后用1根長(zhǎng)度、半徑、粗糙程度都合適的螺紋鐵棒穿過兩木框的中心孔.使用時(shí)發(fā)現(xiàn),角度變化單一,而且很難穩(wěn)當(dāng)?shù)財(cái)[放在桌面上.為此作了改進(jìn):在外框的3/4處鉆孔,螺紋鐵棒穿過外框的3/4孔和內(nèi)框的中心孔相連結(jié).這樣,可隨意地變換角度和改變支撐面積的大小,并且較穩(wěn)當(dāng)?shù)財(cái)[放.在制作中,還要注意連結(jié)2個(gè)木框的鐵棒相當(dāng)重要,孔的大小和孔紋最好和鐵棒的螺紋相匹配.隨后,注意在穿螺紋鐵棒時(shí)要先套上內(nèi)框里面的固定螺母,連接完畢后在外框上套上彈簧戒指和螺母,起到固定與調(diào)節(jié)的作用(注:2個(gè)木框連接處的松緊會(huì)影響演示儀擺放穩(wěn)定性,可微調(diào)兩邊螺母控制松緊程度).這樣,既保證木框連接后可以轉(zhuǎn)動(dòng),又使木框之間的松緊可調(diào),而且保證使木框能夠準(zhǔn)確無誤地以任何角度擺放在桌面上.為了增加教具與桌面的粗糙程度,在框的支點(diǎn)適當(dāng)涂上硅膠.
最后考慮如何標(biāo)示穩(wěn)定度判定儀的重心的位置.教具是由2個(gè)規(guī)則的方形木框構(gòu)成,每個(gè)木框的重心都在2個(gè)方形木框的幾何中心,將2個(gè)木框連接之后,教具的重心就位于2個(gè)木框幾何中心的連線的中點(diǎn)(這里忽略了螺紋鐵棒對(duì)重心位置的影響.若要講究嚴(yán)格的規(guī)則對(duì)稱,則可在外框的1/4處再穿1根相同的螺紋鐵棒).用1根繩子采用交叉的方式,連結(jié)內(nèi)外框的中心孔,成X字,交點(diǎn)就是教具的重心位置 注意繩子的材料要堅(jiān)固,能夠綁得結(jié)實(shí),掛得起重物,還要夠細(xì),可以穿綁于鐵棒螺母之間和中心鉆孔之間,另外顏色要鮮艷醒目.
穩(wěn)定度判定儀主要是直觀地顯示重心投影位置和支撐面積的關(guān)系對(duì)穩(wěn)度的影響,因此,在重心位置安裝1盞小燈來標(biāo)示重心位置在底面上的投影.本教具使用的小燈來源于紅色光的單車裝飾尾燈.為了使光路集中,避免光線發(fā)散,燈外圍貼上1圈黑膠布和1層美觀的硬紙板來遮擋光線,紙板剪成扇形包住,中間剪一小孔,光線沿孔射出,在支撐面上出現(xiàn)1個(gè)紅點(diǎn),以此標(biāo)示教具重心位置在支撐面上的投影.
穩(wěn)定度判定儀可用于多角度觀察和驗(yàn)證物體穩(wěn)定的條件:重力作用線(重心在底面上的投影)必須落在物體支撐面積以內(nèi).改變重心位置高低,支撐面積大小,當(dāng)重心投影落在支撐面積以內(nèi)時(shí),物體始終保持穩(wěn)定;當(dāng)重心投影超出支撐面積范圍時(shí),無法保持穩(wěn)定(圖4).物體支撐面積越大,重心位置越低,則重力作用線越不容易超出支撐面,物體越穩(wěn)定.還有可用來區(qū)分支撐面積和接觸面積的不同.通過穩(wěn)度判定儀生動(dòng)、直觀、形象的演示,使學(xué)生易于理解和掌握穩(wěn)度的有關(guān)知識(shí)和規(guī)律.
圖4 穩(wěn)定條件的演示
一件成功的自制教具,不僅蘊(yùn)含豐富的物理知識(shí),還包含著制作者的智慧.實(shí)驗(yàn)教具的制作過程,是指導(dǎo)教師與學(xué)生不斷交流,思想撞擊火花激發(fā)靈感,不斷地嘗試、修改、完善的過程,也是不斷地發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的探究過程.