實驗器材視角下高中物理實驗改進策略

吳正飛

【摘要】高中物理實驗是高中物理教學(xué)的重要組成部分，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢碇R直觀地展示給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解物理原理，體會物理規(guī)律，讓學(xué)生更好地掌握物理相關(guān)知識.實驗器材作為物理實驗的基礎(chǔ)，直接影響物理實驗的效果，創(chuàng)新改造實驗器材能夠有效提升整個物理實驗的效果，能夠更好地為物理課堂教學(xué)服務(wù).

【關(guān)鍵詞】高中物理；實驗教學(xué)；實驗改進

高中物理是以實驗為基礎(chǔ)，通過實驗總結(jié)物理規(guī)律的學(xué)科.在高中物理教學(xué)中，借助物理實驗，能夠?qū)⒊橄蟮奈锢碇R直觀地展示給學(xué)生，幫助學(xué)生更好地理解物理知識.同時，學(xué)生在物理實驗操作過程中，能夠提升物理知識的應(yīng)用能力和自主探究能力.在理論教學(xué)中很難達(dá)到此效果，教材中設(shè)計的物理實驗很多并不能充分發(fā)揮物理實驗在教學(xué)中的重要作用，需要做進一步的改進，使其符合物理教學(xué)的需求.

1 高中物理實驗存在的不足

隨著新課程改革的實施，物理學(xué)科教學(xué)也做出了一定的調(diào)整，更加重視現(xiàn)代知識與物理理論的結(jié)合，部分地區(qū)也鼓勵學(xué)校對原有的實驗器材加以創(chuàng)新改進，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新實踐能力.對于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》對物理實驗教學(xué)的要求，部分地區(qū)和學(xué)校難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，實驗開展率較低、效果不理想、實驗器材老舊落后是在高中物理實驗教學(xué)中較為常見的問題［1］.

對現(xiàn)有高中物理實驗器材加以改進，對傳統(tǒng)儀器作進一步升級和改造，是眾多一線物理教師需要研究的重要問題.

2 高中物理實驗改進要求與途徑

物理實驗的創(chuàng)新改進不是隨性而為的，而是要符合物理學(xué)科的要求.

首先，要具有科學(xué)性，設(shè)計思想要突出物理原理，能夠更好地演示物理事實，正確地反應(yīng)物理規(guī)律，客觀地展示物理現(xiàn)象，準(zhǔn)確地揭示其中的本質(zhì)［2］.另外，設(shè)計的實驗器材要符合學(xué)生的認(rèn)知特點.

其次，實驗器材的設(shè)計要具有實用性，教師可以利用生活中較為常見的生活用品來改造實驗器材，設(shè)計的器材要能夠長期使用，具有較好的保存性.最后，改進和設(shè)計物理實驗器材要遵循安全性的原則，設(shè)計的實驗器材要牢固耐用，避免出現(xiàn)危害使用者身體的危險情況發(fā)生.

教師在日常教學(xué)中，對于物理實驗器材的改進可以通過以下幾個途徑來實現(xiàn)：第一，根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計儀器.在高中物理實驗教學(xué)中教師經(jīng)常會碰到這樣的情況，可能會找不到合適的簡易實驗儀器.此時，就需要教師根據(jù)教學(xué)需求和自身的知識儲備，來根據(jù)原有的相似儀器進行改制，從而達(dá)到輔助教學(xué)的目的.第二，改造原有的實驗儀器.在實驗中會有些儀器實驗效果不夠明顯，或者實驗原理不夠突出，達(dá)不到想要的實驗效果，此時就需要針對儀器存在的不足之處加以改進，使其能夠發(fā)揮出物理實驗的最大作用.第三，對于專業(yè)水平較高的教師，可以圍繞教學(xué)需求設(shè)計新的實驗，提升課堂教學(xué)效果.

3 高中物理實驗改進案例分析

現(xiàn)以“驗電器”的改造設(shè)計為例，從原有儀器的不足、儀器改造設(shè)計思路、儀器改進效果等方面進行分析.

3.1 原有實驗分析

驗電器是電學(xué)部分中的一個重要的儀器，它是檢驗物體是否帶電的重要儀器.驗電器是根據(jù)同種電荷相斥的原理制成的.它是將一對輕薄的金屬箔片懸掛到金屬支架上，當(dāng)靠近帶電物體時，金屬箔片就會在靜電感應(yīng)的作用下帶電，使箔片張開.其中，箔片張開的角度的大小就直觀地反映出箔片所帶電量的多少.

需要注意的是，無論是帶正電還是負(fù)電，金屬箔片都會張開，通過傳統(tǒng)的驗電器無法對其進行判斷，進而也無法向?qū)W生講解電荷分離和電荷流向的相關(guān)知識.

另外，懸掛金屬箔片的傳統(tǒng)驗電器的靈敏性，依賴于金屬箔片的安裝工藝，會對實驗的結(jié)果有一定的影響.很多教師為了提升金屬箔片的靈敏度，會將其替換為更加輕薄的箔片，這樣雖然增加了其靈敏度，但是受環(huán)境振動和氣流的影響會變得更加明顯，有悖于實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性.

在實驗中，將摩擦起電的玻璃棒和橡膠棒接近驗電器的實驗，只能夠驗證它的帶電特性，并不能夠?qū)⒔z綢或者皮毛上的異號電荷展示出來，以至于電荷運動導(dǎo)致電流的現(xiàn)象無法有效展示.

3.2 改進思路

為了能夠克服傳統(tǒng)驗電器的不足，不少學(xué)者利用半導(dǎo)體電子元件改造了高靈敏驗電器——電壓探測器、電流探測器.電壓探測器是通過測量帶電物體周圍的電勢與地電勢的差來確定帶電物體的電性.電流探測性則是通過金屬探頭靠近帶電物體，就會使得探頭與驗電器之間有極其微弱的電流流過，其本質(zhì)上就是一個靈敏度極高的電流計.

新設(shè)計的驗電器雖然更加靈敏，但是它們都是單個極性的，測量正電勢的電壓探測器不能夠顯示負(fù)電勢，測量正向電流的的三極管探測器不能夠測量負(fù)電勢，教師在使用的時候，需要同時準(zhǔn)備兩種探測器，并且，這些探測器的擺放要求較高，不符合簡單便捷的需求.

為了更好地為物理實驗教學(xué)提供服務(wù)，教師將一對不同的探測器擺放到一起，并盡可能地將其靈敏度提升.首先，如果教師利用電壓探測器來設(shè)計，其探測探頭與遠(yuǎn)端接地之間的電勢差不好控制，得到的實驗結(jié)果可靠性不強，不符合嚴(yán)謹(jǐn)性的實驗理念.因此，可以選擇晶體三極管為主材料來設(shè)計驗電器.該驗電器使用兩個10Ω的電阻、兩個8mm（0.5W）的LED燈珠，具體設(shè)計如圖1所示.

3.3 工作原理介紹

當(dāng)帶有正電荷的物體靠近探頭時，圖示上方探頭A上的正電荷就會被排斥走，就會有微弱的電流經(jīng)過T1，此時的T1、T2、T3就會起到一個放大器的作用，將原來極微小的電流進行放大，進而使得LED1發(fā)光.

同時，探頭B也會有電流產(chǎn)生，但是因為T4的反向偏置作用，電流不能夠發(fā)揮它的作用.如果帶有負(fù)電荷的物體靠近，則工作原理同上.當(dāng)帶正電荷的物體遠(yuǎn)離探頭時，LED2就會發(fā)光，當(dāng)帶有負(fù)電荷的物體遠(yuǎn)離探頭時，LED1就會發(fā)光.為了更好地展示實驗效果，在設(shè)計時，可以選擇顏色不同的LED1和LED2兩個燈泡.

3.4 設(shè)計與制作

在改良設(shè)計的驗電器中，晶體管可以選擇功率較小的NPN/PNP晶體三極管，起到放大作用的T1、T2和T4、T5放大倍數(shù)盡量選得高一些，限流的電阻至少要10MΩ.各元件之間的放置距離要分開，盡量不要將元器件直接放置在耐熱性較差的亞克力材料上.可以通過鉆孔的方式將元器件的腳固定住.各連接點連接以后，要用膠水或石蠟作進一步固定，驗電器的金屬探頭選擇兩根粗為0.5mm，長為15cm的漆包線，并通過筷子支撐好.電池盒選擇兩組1.5V×4的電池組，具體成型如圖2所示.

3.5 改造后實驗儀器的應(yīng)用

改造后的驗電器靈敏度較之前的更高，不僅能夠驗證物體所帶的電荷量，還能夠辨別出物體所帶的是正電荷還是負(fù)電荷.在新的課程標(biāo)準(zhǔn)中，要求在靜電部分學(xué)習(xí)的內(nèi)容中，不僅能夠了解靜電現(xiàn)象，通過多種途徑讓物體帶電，并且能夠觀察、分析靜電現(xiàn)象.

實驗中，教師將通過摩擦起電的玻璃棒靠近驗電器的金屬探頭，會看到LED1燈發(fā)光，當(dāng)玻璃棒逐漸離開金屬探頭時，LED1燈就會熄滅，LED2燈就會發(fā)光.將玻璃棒來回在金屬探頭附近擺動時，LED1燈和LED2燈會交替閃爍.將毛皮摩擦過的橡膠棒重復(fù)以上操作時，就會發(fā)現(xiàn)相反的實驗現(xiàn)象.

由于LED1燈和LED2燈選擇的是不同的顏色，???? 能夠更好地辨認(rèn)出物體所帶電荷的種類.

改造后的驗電器具有更高的靈敏性，在摩擦起電的實驗中，教師會告訴學(xué)生摩擦起電并不是憑空產(chǎn)生電荷，而是電荷分離的過程，當(dāng)兩個物體摩擦?xí)r，就會產(chǎn)生相反符號的電荷.在利用玻璃棒和絲綢摩擦后，將玻璃棒和絲綢分別靠近驗電器，能夠發(fā)現(xiàn)兩種不同的電荷導(dǎo)致的不同現(xiàn)象，能夠充分說明玻璃棒與絲綢上所帶電荷不同.

研究摩擦起電的另一個重要任務(wù)就是需要探究摩擦起電的順序，受傳統(tǒng)驗電器靈敏性的限制，教師很難通過實驗的形式向?qū)W生直觀地呈現(xiàn)起電順序，教師借助改良后的繼電器就可以完成對玻璃、橡膠、絲綢、布、皮毛、木材等材料的起電順序，也可以以驗證的方式來展示下列物品的帶電情況，見表1.

4 結(jié)語

高中物理實驗儀器的改進是實驗改進的基礎(chǔ)，是提高物理實驗效果的重要保障.改良后的實驗儀器，能夠?qū)鹘y(tǒng)實驗條件下不能夠在課堂上開展的一些實驗落到實處，將這些抽象的知識內(nèi)容形象具體化，幫助學(xué)生更好地理解這一部分知識.另一方面，通過不斷地改進實驗，能夠促進教師自身素質(zhì)的進一步提升，豐富學(xué)校物理實驗資源，從而更好地為物理課堂實驗教學(xué)服務(wù).

參考文獻：

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