采用新技術制作創(chuàng)新教具兩例

鄒新政

摘? ?要：文章利用新技術——高亮度感光材料和手機內(nèi)置傳感器制作物理教學用具，詳盡地闡述了這些教具的設計背景、制作過程、教學過程等。

關鍵詞：高中物理;自制教具;內(nèi)置傳感器;感光材料

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0054-2

科學探究中的求證環(huán)節(jié)，是切實解決問題、驗證猜想的具體落點，針對某一問題的猜想，來設計探究方案或驗證方案，能夠鍛煉學生和教師的綜合能力。這些能力首先是實驗設計的能力，要求理論基礎過硬。其次是動手實踐的能力，再好的實驗設計也要落實到實踐操作中。這也是目前我國中學生亟待提升的能力之一。

1? ? 利用感光材料制作物理教具

高中階段，有很多需要將運動軌跡記錄下來的實驗，比如自由落體、平拋運動、探究小車的加速度與外力和質(zhì)量的關系等實驗。傳統(tǒng)的教具或?qū)嶒炘O計大多較為繁瑣，比如自由落體常常采用頻閃照相的方式，頻閃照相需要的拍攝環(huán)境、拍攝裝備都不是一線教師易于獲得的。

本文提出了一種利用感光材料記錄運動軌跡的新技術，它集成了頻閃照相、打點計時器等傳統(tǒng)教具的優(yōu)點，極大地提高了實驗效率。相比頻閃照相，操作更加方便，不需要苛刻的拍攝環(huán)境，不需要額外對多張照片進行技術合成，就能直接顯示運動軌跡;相比打點計時器，減少了紙帶與限位孔摩擦帶來的誤差，避免了傳統(tǒng)打點計時器冗雜的實驗步驟和誤差分析，可以很好地加深學生對打點計時器主要原理的理解。

1.1? ? 制作方法

激光照射在高亮感光變色粉顏料上，照射光斑上的變色粉會明顯變亮，能夠有效實現(xiàn)對光斑進行探測、跟蹤、校對和識別，具有使用壽命長、效率高等特點。并且感光材料在失去激光照射后，光斑處變色粉的亮度又會重新恢復初始狀態(tài)，不同的材料光斑留跡的恢復時間是不同的，本文大致將其分為短時留跡材料和長時留跡材料。具體制作方法是，將高亮感光變色粉顏料與適量的水混合，涂抹在紙張上，待水晾干后，便得到了感光板。同時，還需制作一個激光頻閃光源，用單片機編程可以控制激光閃爍的頻率。

1.2? ? 教學過程

以探究小車的加速度與力和質(zhì)量的關系實驗模擬教學過程，該實驗中，感光板替代打點計時器中的紙帶，激光頻閃光源替代打點計時器。將激光頻閃光源置于小車中，長條形的感光板放置在小車運動方向的側(cè)邊位置，保證感光板與小車運動方向平行，以免光斑距離發(fā)生光學變形，影響數(shù)據(jù)處理。其效果如圖1所示。

2? ? 利用手機內(nèi)置傳感器制作高中物理教具

當前，智能手機普及程度越來越高，智能手機具備的功能也愈加強大。手機內(nèi)置了多種傳感器，可以監(jiān)控手機的加速度、角度、所處環(huán)境的光強、氣壓等，但是這些參數(shù)一般是無法直接從手機原生軟件上讀取的，我們可以借助第三方APP實現(xiàn)讀取功能。本文以蘋果手機ios系統(tǒng)上的一款手機傳感器作為講解案例，軟件名稱是Phyphox。筆者測試了目前ios系統(tǒng)上大多數(shù)免費的傳感器APP，這是界面最為簡潔且支持中文的軟件。安卓系統(tǒng)也有類似軟件。筆者推薦一款名稱為科學日志的APP，利用手機替代DIS傳感器可以大大降低實驗操作成本，學生自己也可以自行設計和完成實驗。

Phyphox軟件功能十分強大，其內(nèi)置了力學、光學、聲學等若干個傳感器模塊。本文介紹了幾種高中物理傳統(tǒng)實驗中很少做的幾個物理實驗，來展示Phyphox軟件的使用過程，凸顯手機傳感器軟件的巨大優(yōu)勢。

案例1：演示下蹲、起立過程中超重、失重問題的加速度的變化情況

Phyphox軟件的加速度計默認測量三個維度的加速度，案例1中，筆者將手機豎直放置，容易觀察豎直方向的加速度變化情況。觀察Y軸線性加速度隨著時間的變化圖，可以明顯地看出下蹲和起立過程豎直方向加速度的情況（圖2）。即，下蹲過程中先加速下蹲，再減速下蹲，前半段是失重，后半段是超重;同樣的，起立過程中，先加速起立，再減速起立，前半段是超重，后半段是失重。

案例2：演示電流的磁效應

19世紀，物理學家奧斯特給直導線通電，發(fā)現(xiàn)放置在通電導線下的小磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，從而意識到通電導線周邊會產(chǎn)生磁場。筆者使用手機內(nèi)置傳感器重復類似實驗，將手機固定在直導線附近某一位置，利用Phyphox軟件的磁力計工具，接通電源后，可以明顯地看到通電導線周邊的磁場強度變化，增大或減小電流磁力計示數(shù)不同，當電流穩(wěn)定時，磁力計示數(shù)保持不變（如圖3）。

參考文獻：

[1]遲鑫.基于實驗教學培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2017.

[2]朱國慶.物理自制教具設計與制作[J].考試周刊，2015（28）：134，143.

[3]朱云俊.中學物理教具自制照相機的設計、制作及應用[J].新課程學習（下）， 2013（06）：180-181.

[4]康賢明. 借助Phyphox軟件用手機做物理實驗[J]. 物理之友， 2019， 35（03）：36-37.

（欄目編輯? ? 王柏廬）