低成本、高科技物理实验资源的开发和利用，本文主要内容关键词为：高科技论文,低成本论文,物理实验论文,资源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中学物理新课程提倡“加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想，关注物理学的技术应用所带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和对社会负责任的态度”。[1]实验资源的开发和利用是该理念的最好体现。近年来，各种新材料、新技术（如尼龙搭扣、视听光盘、手机、遥控器、声光控电源开关、感应门、安全带传感器等）广泛应用于日常生产生活实践，无论是教师还是学生都可以很方便地获得这些宝贵的课程资源。只要将这些材料和技术经过简单改造与重组就可以在物理教学中演示和探究许多物理现象。然而，在中学物理教学实际中，我们总是按部就班地使用所谓“正规”的成套实验器材进行教学，鲜见将这些资源运用于课堂教学。更有甚者，认为学生不会动手做实验不要紧，只要会做实验题就可以了，由此而引发了“做实验不如讲实验”、“讲实验不如做实验题”、“做实验题不如背实验题”的荒谬做法。岂不知，做实验虽比讲授要花费更多的时间和精力，在得出结论方面往往不如讲授简洁而明确，但学生从物理实验中所获得的感性认识、探究能力和动手操作技巧等，是讲授所不能给予的。实验教学是一种低容量高密度思维的教学组织形式，即知识容量虽小，但学生在课堂上有高密度的思维活动参与。 事实上，简易实验由来已久，早在19世纪，人们就将简易实验用于教学。不过，当时人们只把它看作戏法或窍门，所展示的更多的是惊异和趣味。自那时起，人们就将简易实验定义为“直接运用日常生产、生活用品或对其做简单改造或重组即可进行的实验。”[2] 研究表明，“包括我国在内的许多国家，物理学科一直是学生最不感兴趣的学科之一。”[3]其中的原因是：物理教学内容与生产和生活实际严重脱离，物理教学方法陈旧，过多的理论推演、繁琐的数学运算，以应考为目的的题海战术，忽视甚至放弃物理实验教学的作用。 一、低成本、高科技物理实验内涵 低成本、高科技物理实验是指所用实验器材易于在日常生产、生活中找到，实验成本低廉、科技含量高，物理原理凸现、操作方便、实验效果明显。有鉴于此，教师在物理教学中应特别注意： （1）必须关注学生的生活经验和日常生活实际。 （2）应拓宽实施物理教学的空间。除课堂外，人们的日常衣食住行、娱乐健身、网络通讯等均是鲜活的物理学习来源。 （3）实验应该基于简单组装和低成本材料，这些材料很容易在家庭或校园找到。 （4）应加强自身制作简易实验能力的训练，设法运用新材料（如聚四氟乙烯、尼龙搭扣等）和日常生活中所使用的现代设备（如厨具、电动牙刷、视听光盘、手机、遥控器、感应门、安全带传感器、电子狗、GPS导航、太阳能电池、手机二维码等）设计实验。 二、低成本、高科技物理实验的特点 （1）成本低廉（低耗费）、操作简单，运用广泛。所需材料可以是各类废旧物品，对原物品的功能不产生损坏，易于获得，操作方便，只需做简单改装即可进行实验；可以广泛应用于各种实验类型（如演示实验、分组实验、研究课题、课外活动等）和各种教学方式（如分析、综合、示范学习、小组合作学习、做中学等）；可应用于不同年级水平（不依赖于学生的数学知识和物理背景知识）；可还原学生日常经验中的各种物理现象和一些物理基本原理。低成本、高科技物理实验为学生获取更多实践手段和加深对现代技术和新材料的理解提供了可能性。许多复杂的设备往往基于一些基本的物理原理，如安全气囊传感器基于惯性定律、隐形眼镜基于粘滞力、遥控器基于红外辐射的调制、太阳能电池基于光伏发电、各种自动感应基于传感器等等。通过这类实验，仪器设备的工作原理得以清晰（从物理学角度说），物理原理在实际中运用得以重视，黑箱得以显现、体验或模型化，黑箱不再神秘。 （2）作用强大。在课堂上，低成本、高科技实验借助操作、讨论等手段特别适用于发展学生的责任心。如微波炉和手机自然会产生电磁辐射的危险，使用时就要避免。低成本、高科技实验有利于激发学生学习物理知识和运用物理原理的动机。实验能消除学生对现代技术和新材料的困惑。通过实验，能发展学生的认知并能增强学生对责任含义的理解（如通过讨论手机电磁辐射、新材料对环境的污染、雾霾成因等，增强学生的社会责任感）；学生的合作能力、计划组织能力和判断能力以及基于对物理理解的批判态度得以增强（如通过比较浸入式加热器与微波炉、电磁灶、电饼铛等效率）；学生能掌握收集和处理信息、素材的方法（如通过仪器使用说明书和搜索网络）。实践性作业（如研究课题、小制作、小实验、家庭作业）特别适合于培养学生的动手能力和问题解决策略。 三、低成本、高科技实验举例 1.低成本实验举例——三维磁场模拟实验 （1）材料：能够密封的空果酱瓶或泡菜瓶（广口瓶）、条形磁铁（长度等于瓶口的半径）、煤油（约1L，与容器的容积相等）、铅笔、细线、铁屑（约250g）等。 （2）实验操作。 ①将细线两端分别系于磁铁和铅笔的中间，磁铁置入瓶中，铅笔横放在瓶口，调整细线的长度使磁铁恰好处于瓶的中间，并使其水平悬挂。磁铁不能置入太深，否则下面的场线就看不见，调整好后再将磁铁从瓶中拿出。 ②将铁屑灌入瓶中（深度约5mm，不要太多，否则磁感线就不能显示清楚）。 ③将煤油灌入瓶中（离瓶口约10mm，不能太多，以防溢出）。 ④密封瓶口，上下摇动瓶子，直至铁屑基本均匀分布于煤油中。 ⑤立即打开瓶口，将连接好的磁铁水平放入瓶中。 约过15min煤油又变清澈，这时三维磁感线就可以清晰地呈现出来。在没有震动的环境下，该现象可持续数周。 （3）优点：教材上图示的磁铁的磁感线是二维的，该实验可以特别形象地显示出三维磁感线。需要注意的是，磁感线实际上并不存在。 2.新材料实验举例——粘滞力确定 （1）材料：A型物理支架（高50cm）、定滑轮、曲柄轮、测力计、移液管（滴管）、物体（如橡胶球、动物眼球、玻璃板以及各种表面光滑的物体）、隐形眼镜、隐形眼镜分离器、钓鱼线（长50cm）、液体（淡水或盐水）。 （2）准备：用1条短线将测力计与隐形眼镜分离器连接，隐形眼镜分离器的塑料帽与隐形眼镜或玻璃板固定在一起，隐形眼镜可以在物体上移动。建议用死猪或死牛的眼球（可以从屠宰场获得并进行统一的防腐、防疫处理）作为物体，这样学生可以在现有条件下做实验。由于上述眼球的直径与隐形眼镜的直径相近，因此，可望隐形眼镜与上述眼球保持良好接触。 （3）实验步骤。 ①用移液管将液体滴在上述眼球上。 ②将隐形眼镜放在猪或牛眼球上（以便良好接触），隐形眼镜与眼球之间的粘滞力可以由测力计测出。 ③转动曲柄轮竖直向上拉测力计。 若上述眼球与隐形眼镜之间进入空气，粘滞力将会减小，甚至隐形眼镜不再能粘在眼球上。很明显，对学生来说，当隐形眼镜的内半径与眼球的外半径相等时，粘滞力最大。 换用其他材料的物体时，实验要求和步骤相同。 实际的粘滞力受多方面因素的影响，如球与隐形眼镜之间的液体、液体膜的厚度、球的材料、球的半径等。 实验测得猪眼球的粘滞力为0.08N，半径相同的塑料球的粘滞力为0.06N；两块玻璃板之间的粘滞力为0.03N。 （4）解释：球与隐形眼镜之间液体膜的厚度对粘滞力的影响很大。因此，在所有实验中，球上滴液量应该相同。这也是我们为什么建议用移液管将液体滴在球上的原因。 3.新技术实验举例——模拟安全气囊传感器 （1）材料：压电晶体、玩具车、木板（长1m，宽0.2m）、灯泡（4V）、直流放大器、细绳（长为1m，0.2m各1条）、润滑油、导线（长2m和0.5m的各2根）、米尺、带泡沫的挡板、物体（100g）、钢球（质量100g，半径10mm）、带有支架的定滑轮。 （2）准备：玩具车上有一悬球装置，压电晶体固定在玩具车上距离钢球5mm，以便当钢球摆动时能与压电晶体准确撞击。因压电晶体受挤压时产生的电压较低，必须通过直流放大器放大才能点亮灯泡。直流放大器与压电晶体之间用两根2m长的导线连接，灯泡与放大器之间用两根0.2m的导线连接。整块木板被分成0.1m的间隔，挡板固定在木板末端，以便泡沫吸住玩具车。玩具车与质量为100g的物体通过1m长的细线相连，细线跨过定滑轮。物体竖直悬挂在桌边，玩具车在物体的牵引下就会加速运动。 （3）实验：给车的轮轴上加润滑油，2m长的导线位置固定或拿在手上以防影响玩具车运动的加速度。 当玩具车向挡板运动时，悬挂的钢球撞击压电晶体，产生电压，点亮灯泡（灯泡的亮度取决于玩具车撞击挡板时的速度，撞击速度愈大，灯泡的亮度愈亮）。 （4）解释：压电晶体受到力的作用时，电荷累积在压电晶体表面，电荷累积量与压电晶体的形变成正比。 在安全气囊传感器里，灯泡的亮度正比于钢球所施加的作用力，进而正比于玩具车撞击时的加速度。在实际中，汽车在水平方向运动的加速度由已变形的压电晶体记录。在新一代安全气囊传感器上，所产生的电压通过模拟数字转化器反馈给计算机。汽车与障碍物撞击时的加速度超过一定值时，由压电晶体产生的电压可使安全气囊在10ms时间内打开，从而防止驾驶员与方向盘之间的剧烈撞击。 4.综合实验举例——模拟分光计 （1）材料：1张CD盘、白炽灯泡、荧光灯、气体发光灯。 （2）实验方法：将3种光源置于桌面上，相互间隔约0.1m，合上开关点亮灯泡。桌子应背对房间窗户放置，以便人身体遮挡太阳光，减少自然光对实验的影响。将CD盘水平置于观察者面前（贴标签一面向下），慢慢倾斜并向光源移动，直至在CD盘上呈现出光谱（即七彩光）。用遮光罩遮住其他2个光源，依次观察与单个光源对应的光谱。 （3）实验原理：1张CD光盘作为反射式光栅，当光照射到光盘上时，就会产生出反射光谱。比较不同光源所发光的光谱，可以看出白炽灯所发光的光谱是连续光谱，荧光灯的光谱在各种颜色之间有小小的间隔，而气体发光灯所发光的光谱是不连续线性光谱。 四、可用于低成本、高科技物理实验的新材料、新技术 可用作物理实验的新材料、新技术在现代生产、生活中随处可见，只要物理教师善于发现，善于组织、引导学生进行开发，同时能很好地将物理学科内容与现代技术结合起来，低成本、高科技物理实验就能发挥更大的作用。为了方便教师开发此类实验，下面就罗列出一些常见的新技术、新材料，以供读者参考。 （1）新技术：ABS（防抱死系统）、GPS（全球定位系统）导航、电子狗、安全气囊、二维码扫描、照相机（胶片式、数码式和手动、自动）、照相机闪光灯、视听光盘（CD盘）、硬币分拣机、计算机鼠标、圣诞节电子蜡烛、电动牙刷、防伪标志、垃圾分拣机（机械式、电磁式）、厨房技术（天然气灶、电磁灶、微波炉、电饼铛、消毒柜、洗碗机等）、红外运动探测器、电视机（等离子、液晶）、红外遥控器、液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）、高音喇叭（静电的、压电的）、金属探测器、移动电话、太阳能电池、打印机和复印机、袖珍计算器、原子钟、签名识别器、烟雾报警器、温度计（电子式、红外辐射式）、触摸式开关、声光控开关、触摸屏、感应门等等。 （2）新材料：锡或铝箔、防反光涂料、新型建筑和装饰材料、光伏材料、万能胶、陶瓷材料、隐形眼镜、玻璃纤维、眼镜（变色镜、太阳镜）、高温超导材料、隔热玻璃、红外传感芯片、激光笔、液晶（电敏式、热敏式）、金属涂层、外包装材料、偏振片、亚光油漆、镜片镀膜、超导材料等等。 总之，“利用低成本、新材料、新技术资源不仅可以弥补由于实验器材不足所造成的弊端，还可以消除学生对高科技、新材料的神秘感，对培养学生的动手操作能力和物理学习兴趣有重要的作用”。物理教师应充分挖掘身边资源，积极引导学生通过实验真正体验、感受物理学的无穷魅力，从而提升学生的科学素养。