低成本、高智慧物理演示實(shí)驗(yàn)及范例

黃顯吞

廣西百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西省百色市533000

摘要：結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，詳細(xì)介紹一些低成本、高智慧演示實(shí)驗(yàn)及范例，特別適合課內(nèi)外示教以及探究性和研究性學(xué)習(xí)；并闡述創(chuàng)制高智慧、高教育價(jià)值功能的低成本實(shí)驗(yàn)是我們的工作重點(diǎn)和努力方向。

關(guān)鍵詞：低成本；高智慧；創(chuàng)造性設(shè)計(jì)；范例

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2009)3(S)-0055-2お

引言

教師在教學(xué)中如能從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法的高度上把握問題的關(guān)鍵，舉一反三、創(chuàng)造性地解決問題，并有效地、恰到好處地運(yùn)用簡單而巧妙的實(shí)驗(yàn)使學(xué)生不僅知道怎樣做，而且弄清為什么要這樣做，這樣才能反映一名教師的教學(xué)能力和知識水平。因此經(jīng)過適當(dāng)整理、挖掘和加工，具有高智慧、高教育價(jià)值功能的低成本實(shí)驗(yàn)會成為寶貴的精神財(cái)富。

1 低成本、高智慧實(shí)驗(yàn)的意義

真正有價(jià)值、有生命力的低成本實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中簡單而巧妙的作品。低成本實(shí)驗(yàn)往往取材比較簡單，常常用日常用品甚至廢棄物品（即壇壇罐罐）取代實(shí)驗(yàn)室專用器材。這種簡單的實(shí)驗(yàn)方法其實(shí)很不簡單，因?yàn)樗ＤY(jié)著創(chuàng)新思維和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的結(jié)果。即所謂成本低智慧不低、成本低技術(shù)含量不低、成本低教育價(jià)值不低。開發(fā)高智慧、高教育價(jià)值功能的低成本實(shí)驗(yàn)，不但適合我國的國情，而且在許多發(fā)達(dá)國家也長盛不衰，這充分展現(xiàn)低成本實(shí)驗(yàn)的真正魅力。同時(shí)這也應(yīng)是物理教師的工作重點(diǎn)和努力方向。

2 低成本、高智慧實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想

物理教師要設(shè)計(jì)一種很好的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不僅僅是滿足于獲取某一種結(jié)論性的內(nèi)容，而是把重點(diǎn)放在掌握思維過程和思維方法上。所以實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅要體現(xiàn)物理思想、符合科學(xué)性原則，而且必須反映科學(xué)教學(xué)思想、符合教學(xué)原則。即低成本、高智慧教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作應(yīng)有利于科學(xué)性鑒別、物理方法的運(yùn)用和教學(xué)目的明確等，并充分考慮學(xué)生的理解能力，本著簡潔明快、精巧實(shí)效的設(shè)計(jì)思想，使得原本很復(fù)雜，看起來一籌莫展的實(shí)驗(yàn)問題迎刃而解，給人以一種暢快淋漓的感受和直呼驚奇的感覺，使學(xué)生熱愛科學(xué)，體會科學(xué)方法，體驗(yàn)科學(xué)的樂趣，認(rèn)識物理學(xué)的精髓。

3 低成本、高智慧演示實(shí)驗(yàn)范例

實(shí)驗(yàn)的目的主要是給學(xué)生學(xué)習(xí)物理創(chuàng)造一個(gè)良好環(huán)境，使學(xué)生能主動獲取知識和發(fā)展知識；實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)就是將復(fù)雜過程進(jìn)行簡化和純化，突出研究對象的主要因素，以便學(xué)生比較容易、比較精確地發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

3.1 簡化與純化例子

實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值與實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜程度成反比，所以對一個(gè)原本不太復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置做進(jìn)一步簡化，實(shí)際上就不是一件簡單的工作。例如簡易直流電動機(jī)的設(shè)計(jì)方法：如果能省去換向器是最簡單巧妙的，但這要么周期性地改變磁場；要么采用可根據(jù)線圈轉(zhuǎn)動周期性地變化的電源。這樣，很可能設(shè)計(jì)出一個(gè)更復(fù)雜而不是簡化的電動機(jī)。若采用將漆包線引出線（一端的絕緣漆全部刮去，而另一端只刮去一半）當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸使用的只繞一圈的線圈，放在蹄形磁鐵磁場中做成的號稱“世上最簡單電動機(jī)”（如圖1所示）的實(shí)驗(yàn)方法簡單得出奇，卻精彩得令人叫絕。おお

又如把一顆鋼珠放在一支塑料圓柱筒里后使它在斜槽里滾動的“魔鬼下山”實(shí)驗(yàn)就很好地說明動能與勢能相互轉(zhuǎn)化的原理。這些用一線圈或一鋼珠組成的簡單而巧妙的裝置完全可以作為一件很好的物理教具，不僅激發(fā)好奇心，而且使我們的教學(xué)內(nèi)容更生動、更豐富。

3.2 精選與提煉例子

能敏銳地意識到問題的存在并抓住不放、扎扎實(shí)實(shí)地鉆研下去，這是一種對任何一類研究都極其重要的品質(zhì)。同時(shí)從效果、原理、結(jié)構(gòu)（成本）考慮，設(shè)計(jì)獨(dú)特、新穎的實(shí)驗(yàn)方案。例如：由于尚未見到很直觀地演示交流市電特性的實(shí)驗(yàn)裝置，若采用指針式電表或類似的儀器的方法顯然是失效的，因?yàn)殡姳淼闹羔様[動是跟不上50Hz的變化電流的?，F(xiàn)采用如圖2所示電路：お

此電路把兩只不同顏色的發(fā)光二極管（設(shè)為一紅一綠）并聯(lián)后跟分壓電阻串聯(lián)連接220V的交流市電中。通電后，手拿兩發(fā)光二極管快速移動，將看到紅——綠——紅——綠……的順序排列，這就很好地說明了交流電方向變化的特性。

又如為說明曲率半徑不同而受力不同，我們把兩只大小、材料都相同的氣球吹氣成大小不同后用帶閥門的膠管連接起來讓學(xué)生競猜打開閥門后結(jié)果：這種把奇怪現(xiàn)象擺在面前，讓他們思想發(fā)生矛盾，認(rèn)識結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突，會忍不住產(chǎn)生各種猜想并設(shè)法尋找知識來解釋。這些用兩只普通的二極管或氣球組成的簡單實(shí)驗(yàn)裝置就可巧妙解決難題，這種實(shí)驗(yàn)裝置精巧實(shí)效且富創(chuàng)新思維，我們欣賞并佩服這種簡單而巧妙的作法。

3.3 發(fā)掘與創(chuàng)新例子

對前人的研究要盡可能多的了解，特別關(guān)注各種方法的基本特點(diǎn)，并注意從眾多的表面差別很大的實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)掘和把握其中蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法，巧妙地設(shè)計(jì)具有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)。例如對單向可控硅電路的改進(jìn)：由于現(xiàn)行教材對如所加的直流電的情況未作說明，故易使學(xué)生誤認(rèn)為單向可控硅在脈動直流電中也能實(shí)現(xiàn)持續(xù)導(dǎo)通。采用如圖3所示電路就能很好說明：お

此實(shí)驗(yàn)只增加一個(gè)電鍵K2（采用脈動直流或?yàn)V波后直流電壓供電），就能全面直觀說明單向可控硅持續(xù)導(dǎo)通的特性。而由以上實(shí)驗(yàn)就聯(lián)想到以前“用多個(gè)開關(guān)控制一盞燈”的電路是一個(gè)比較復(fù)雜的電路，現(xiàn)采用如圖4裝置就可完成：おお

此燈開關(guān)電路經(jīng)整流濾波后轉(zhuǎn)由按鈕組合控制，步驟為：按下S_1-2、S_2-2、S_3-2、……中任一個(gè)按鈕，可控硅導(dǎo)通，燈亮；松開后，可控硅失去電壓，但由于其自身保持持續(xù)導(dǎo)通特性而繼續(xù)導(dǎo)通。而按下S_1-1、S_2-1、S_3-1、……中任一個(gè)按鈕，相當(dāng)于把可控硅短路，可控硅失去電壓而截止，松開后燈熄滅。這樣把S_1-1和S_1-2、S_2-1和S_2-2、S_3-1和S_3-2、……等組合成的多個(gè)按鈕開關(guān)完成同時(shí)控制一盞燈的裝置。這樣學(xué)生就只需透過較少但又比較熟悉的技術(shù)細(xì)節(jié)就可領(lǐng)悟其中簡單、實(shí)用的物理原理，并體會其中的設(shè)計(jì)與創(chuàng)作技巧，也使我們的教學(xué)更有吸引力。

4 結(jié)論

以上這些充分發(fā)掘身邊材料，選用合理方式的低成本、高智慧實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)制作思想及范例，很好地解決了長期以來困擾我們教學(xué)的許多疑難問題。使物理教學(xué)更有生氣，使學(xué)生更富有參與感。

同時(shí)這些低成本、高智慧演示實(shí)驗(yàn)及范例不僅經(jīng)濟(jì)、簡便，而且趣味性強(qiáng)、賦予啟發(fā)性，送給我們一種智慧的熏陶和享受。正因?yàn)槿绱?，低成本、高智慧的?shí)驗(yàn)是一塊蘊(yùn)藏著巨大精神財(cái)富的寶地，這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財(cái)富很值得我們?nèi)グl(fā)掘。

參考文獻(xiàn)：

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(欄目編輯王柏廬)