幾個物理實(shí)驗的改進(jìn)與創(chuàng)新

史碩陽

(淮陰中學(xué) 江蘇 淮安 223002)

物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué),實(shí)驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分.筆者在實(shí)驗教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)有些物理實(shí)驗中還存在不足，通過研究，加以改進(jìn)與創(chuàng)新.

1 平面鏡成像實(shí)驗的改進(jìn)與創(chuàng)新

1.1 創(chuàng)意

探究平面鏡成像特點(diǎn)的實(shí)驗是初中物理重點(diǎn)實(shí)驗，在教學(xué)過程和考試評價中一直受到高度關(guān)注；同時，它也是難點(diǎn)實(shí)驗.難點(diǎn)在于如何確定物體在平面鏡中成虛像的位置.如圖1所示，通常是用玻璃板代替平面鏡，采用“重合法”來確定虛像的位置.然而，這帶來了許多不足.

(1)探究物距和像距的關(guān)系時，得出“像距和物距相等”的結(jié)論，存在系統(tǒng)誤差[1].如圖1所示，相同的蠟燭A和B，把蠟燭A放在玻璃板前面，讓另一蠟燭B放在玻璃板后面緩慢移動.實(shí)驗者在A的一側(cè)觀察到A在玻璃板上成的像與B重合.那么蠟燭B所在的位置，則可認(rèn)為是A在鏡中的像的位置.此時蠟燭B到玻璃板反射面的距離，即為物體A的像距.然而，實(shí)驗中B與A的像重合并不是蠟燭B與A的像重合，而是人眼通過玻璃板看到蠟燭B的虛像與A蠟燭的虛像重合.由于折射，光線非垂直通過玻璃板時，蠟燭B的虛像發(fā)生了“移動”，因此存在系統(tǒng)誤差.

圖1

(2)即使在較暗的環(huán)境中，操作像的重合也有一定難度.原因是點(diǎn)燃的蠟燭A在玻璃板前、后表面分別反射形成的兩個像(重影)，蠟燭成像中，火焰的亮度很大.但是蠟燭自身成像的亮度偏小，有時會看不清楚.

(3)用玻璃板代替平面鏡做實(shí)驗增加了教學(xué)的難度.蠟燭A在玻璃板上成像是光的反射現(xiàn)象，從A的一側(cè)看到蠟燭B則是光的折射現(xiàn)象，用玻璃板來探究平面鏡成像特點(diǎn)要綜合應(yīng)用光的反射和折射知識.而通常光的折射知識教學(xué)是在光的反射知識之后，因此，用玻璃板代替平面鏡做實(shí)驗有較大的教學(xué)難度.具體表現(xiàn)在，在實(shí)驗方案設(shè)計時，學(xué)生很難想到用玻璃板代替平面鏡.在實(shí)驗過程中，理解實(shí)驗的內(nèi)涵和實(shí)驗操作有一定難度.在練習(xí)和考試中，圍繞該實(shí)驗，有大量的題目，給學(xué)生帶來了一定負(fù)擔(dān).

選用兩個相同(較大)的礦泉水瓶和一個較窄小的平面鏡來做實(shí)驗，不僅能彌補(bǔ)上述實(shí)驗的不足，而且使實(shí)驗簡單、明了，實(shí)驗現(xiàn)象更加明顯.

1.2 改進(jìn)與創(chuàng)新過程

1.2.1 實(shí)驗器材

如圖2所示，平面鏡(高10 cm，長40 cm，不帶有鏡框)，用以固定平面鏡用的金屬鏡架，能使平面鏡垂直于桌面，兩瓶相同的礦泉水瓶(高25 cm，550 ml)，白紙，刻度尺，鉛筆.

圖2

1.2.2 實(shí)驗操作過程

(1)在平面鏡前放一個礦泉水瓶A，看一看，它的像是在鏡前，還是在鏡后？

(2)如圖3所示，把另一個相同的礦泉水瓶B放在平面鏡后并且前后、左右移動.從礦泉水瓶A的左側(cè)和右側(cè)觀察.將礦泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分整合.看起來，礦泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分都組成了一個完整礦泉水瓶.此時礦泉水瓶B的位置就是礦泉水瓶A的像的位置.

圖3

(3)如圖3所示，改變觀察視角.從平面鏡的上方或下方，都可以觀察到礦泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分始終組成一個完整礦泉水瓶，從而說明平面鏡成的像與物體大小相等.

(4)用鉛筆在白紙上畫出平面鏡的位置.再描下礦泉水瓶A和礦泉水瓶B的位置，畫出它們的連線，并用刻度尺分別測出兩礦泉水瓶到鏡面的距離.

(5)移動礦泉水瓶A，重復(fù)上述實(shí)驗步驟多次.

1.2.3 注意點(diǎn)

由于視差，必須從礦泉水瓶A的左、右兩側(cè)觀察.礦泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分都組成一個完整礦泉水瓶，那么礦泉水瓶B的位置才是礦泉水瓶A的像的位置.

1.3 改進(jìn)與創(chuàng)新后的優(yōu)點(diǎn)

選用較大的礦泉水瓶和較窄小的平面鏡來做實(shí)驗.從鏡前，實(shí)驗者既可以看到礦泉水瓶A在鏡中成的像；同時也能看到礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分.通過眼睛觀察，將礦泉水瓶A在鏡中成的像與礦泉水瓶B未被平面鏡遮住的部分整合來確定虛像的位置，就消除了原實(shí)驗方案中的系統(tǒng)誤差.新方案是在明亮的環(huán)境中做實(shí)驗，礦泉水瓶在平面鏡中成像清晰并且重影大大減弱了，便于實(shí)驗操作.新方案只包含光的反射，不涉及光的折射，降低了教學(xué)難度，學(xué)生容易接受和理解.

2 液體擴(kuò)散實(shí)驗的改進(jìn)與創(chuàng)新

2.1 創(chuàng)意

液體擴(kuò)散實(shí)驗說明液體分子是運(yùn)動的.該實(shí)驗成功的關(guān)鍵在于“實(shí)驗開始時，兩種液體的分界面是否清晰”.常常在量筒中盛半杯清水，然后用長頸漏斗把藍(lán)色硫酸銅溶液緩緩注入底部.實(shí)驗要求開始時上面無色水與下面藍(lán)色硫酸銅溶液的分界面要清晰，然而在實(shí)際操作中很難做到.原因較多，用長頸漏斗向水中加硫酸銅溶液時，由于漏斗管頸中會有空氣，在加液時容易產(chǎn)生氣泡；從漏斗中向下注入的硫酸銅溶液，遇到筒底后改變流向，不斷向上沖擊清水；在閉壓提升漏斗時，如果閉壓不嚴(yán)密，漏斗里的硫酸銅溶液就會隨漏斗提升而流入筒內(nèi)；取出長頸漏斗時，不能做到不攪動液體.這些都會破壞液體分界面的清晰度.

利用大氣壓能托住杯內(nèi)液體，液體不會向下流動，上下液體不會流動，避免了上述因素破壞液體分界面清晰，從而能保證了液體分界面清晰.

2.2 改進(jìn)與創(chuàng)新過程

2.2.1 實(shí)驗器材

兩只相同的圓形玻璃杯，硫酸銅溶液，純凈水，一張硬紙片，一個盤子.

2.2.2 實(shí)驗操作過程

(1)把一只玻璃杯放在盤子中央；在杯中注滿硫酸銅溶液.

(2)將另一玻璃杯注滿純凈水；將比杯口略大的硬紙片輕輕蓋在杯口上.

(3)如圖4所示，一邊用手輕壓著硬紙片，一邊慢慢將杯子倒過來，扣到另一杯口上，仔細(xì)地把兩個杯口對齊.

圖4

(4)一手握住兩只玻璃杯，一手輕輕地抽掉中間的硬紙片.如圖5所示.可以看到兩種液體的分界面非常清晰，像刀切一樣分明.

圖5

2.2.3 注意

為了防止硫酸銅溶液產(chǎn)生絮狀沉淀物而影響實(shí)驗效果，采用純凈水或蒸餾水來配制硫酸銅溶液，并且在硫酸銅溶液中滴幾滴稀硫酸，使之形成酸性硫酸銅溶液.

2.3 改進(jìn)與創(chuàng)新后的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)驗巧妙利用大氣壓，使上面杯中的水不會向下流動.上下液體不流動，從而保證了兩種液面的清晰度.雖然兩個杯口不可能完全密合，但是由于液體本身具有的表面張力，杯口之間的微小空隙會被填滿，液體不會流出來，實(shí)驗可保持較長時間.

3 磁懸浮實(shí)驗的改進(jìn)與創(chuàng)新

3.1 創(chuàng)意

磁懸浮技術(shù)是一種能帶動眾多高新技術(shù)發(fā)展，具有廣泛前景的應(yīng)用技術(shù).模擬磁懸浮實(shí)驗可讓學(xué)生了解磁懸浮，關(guān)注高新技術(shù)的發(fā)展和培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.通常用電磁來模擬，但實(shí)驗條件要求較高.用永磁體來模擬，實(shí)驗條件要求低，安全可靠.

3.2 改進(jìn)與創(chuàng)新過程

3.2.1 實(shí)驗器材

兩個磁性較強(qiáng)的短小條形永磁體，透明塑料小桶( 可用針筒 ).

3.2.2 實(shí)驗操作過程

(1)一手握住塑料小桶，將一個條形磁體豎直放入塑料小桶內(nèi).

圖6

(2)如圖6所示，調(diào)節(jié)另一條形磁體的磁極，使它的下端磁極與小桶內(nèi)磁體的上端磁極為同名磁極，然后豎直放入小桶.可以看到上面的磁體懸浮在半空中.

3.3 改進(jìn)與創(chuàng)新后的優(yōu)點(diǎn)

這個實(shí)驗利用永磁體同名磁極之間的排斥力來克服磁體受到的重力；再利用容器壁阻止磁體的側(cè)移、跳開或者翻轉(zhuǎn)過來吸在一起，從而達(dá)到平衡.實(shí)驗裝置取材容易，制作簡單，現(xiàn)象明顯，可以作為教師課堂演示實(shí)驗，也可以作為學(xué)生課后興趣實(shí)驗.

4 帶電體吸引輕小物體實(shí)驗的改進(jìn)與創(chuàng)新

4.1 創(chuàng)意

為了演示帶電體有吸引輕小物體的性質(zhì),通常讓摩擦過的帶電體靠近碎小紙屑，紙屑受到吸引力飛向帶電體.然而由于紙屑小，飛向帶電體經(jīng)歷時間短，加之有時帶電體帶電量少，被吸起的紙屑少，導(dǎo)致實(shí)驗可視時間短，實(shí)驗現(xiàn)象不太明顯.可以用易拉罐代替紙屑做實(shí)驗，實(shí)驗可視時間長，可視空間大，實(shí)驗現(xiàn)象明顯.

4.2 改進(jìn)與創(chuàng)新過程

4.2.1 實(shí)驗器材

橡膠棒，毛皮，易拉罐.

4.2.2 實(shí)驗操作過程

(1)將空的易拉罐側(cè)放在水平工作臺上，處于靜止?fàn)顟B(tài).

(2)用橡膠棒與毛皮摩擦，使橡膠棒帶電.

(3)如圖7所示，將帶電的橡膠棒靠近易拉罐，易拉罐受到吸引力會滾動.移動橡膠棒，并與易拉罐始終保持一定距離，易拉罐會越滾越快.

圖7

4.3 改進(jìn)與創(chuàng)新后的優(yōu)點(diǎn)

用易拉罐代替紙屑，易拉罐體積大，可視性強(qiáng).它的質(zhì)量小，與臺面間的滾動摩擦小，容易滾動，實(shí)驗持續(xù)時間長，實(shí)驗現(xiàn)象明顯，給學(xué)生留下深刻印象.

通過改進(jìn)與創(chuàng)新，使實(shí)驗現(xiàn)象更加明顯，取材容易，操作簡單，提高了實(shí)驗成功率，減小了實(shí)驗誤差.改進(jìn)與創(chuàng)新過程不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力和動手能力，還有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

參考文獻(xiàn)

1 閆雪 .平面成像實(shí)驗系統(tǒng)誤差的消除 .物理教學(xué)探討，2010 (5):57