低成本 高智慧 深探究（六）——低成本实验在物理教学中的开发与运用，本文主要内容关键词为：低成本论文,物理论文,教学中论文,高智慧论文，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。
七、妙用材料特征，挖掘实验潜力
设计物理实验时，我国传统的做法往往偏重于对知识的巩固，考虑学术特色，而较少地关注学生的生活实际和兴趣。在一些学生的眼中，物理（包括物理实验）逐渐被视为一门刻板的、枯燥的学科。当笔者问一些物理老师是否经常设计一些实验时，摇头者居多。作为教师，在教学中要注重实验的选材贴近学生的实际，力图通过实验调动他们学习的兴趣和求知欲。
低成本实验所提倡的并不是实验器材的简单替代，而是实验装置的简化、实验现象的明了。我们身边有许多材料，每一种材料或器材都有其特性。根据各种材料的性能，充分利用现有的仪器装置，多方挖掘资源和实验潜力，显示尽可能多的实验现象，说明不同的物理原理，这是一种有效且经济的方法。
下面笔者以常用的材料——硬币和廉价的器材激光笔作为主线，巧妙地与其他资源相组合，创造性地挖掘实验潜力。
【第1则】 妙用硬币
当今世界各国均以金属硬币作为低面值主币。我国目前市面上主要流通的硬币有1角硬币（铝镁合金）、5角硬币（一种是铜锌合金，不易锈蚀，φ20.5mm，3.8g；另一种是钢芯镀铜幌金，色泽光亮）和1元硬币（钢芯镀镍φ25mm，6.05g，易被磁铁暂时磁化）。了解硬币这些特性，可以巧妙地用它来做许多精彩的实验。
1.混沌效应
如图1，在一个开口较大的灌满清水的大容器底部正中央放置一只小酒盅，请一位学生手持一枚硬币，让硬币表面竖直并瞄准底部的小酒盅，自由释放硬币，可以看到硬币在水中的运动轨迹是紊乱的，不确定的。很难投中小酒盅中。再投之，依然如此。
这是因为硬币在进入水中时，硬币不可能完全处于竖直状态，这样硬币的两侧处于液体内的不同的高度。根据帕斯卡原理，水对硬币两侧的平均压强不同，导致硬币的运动方向改变，结果使硬币两侧受到的作用力的大小和方向时刻变化。硬币在下落的同时还伴随着翻滚。当硬币的运动速度较大时，还可能会导致瓶内水发生湍流现象。这些因素综合起来，使得硬币的运动变得极其复杂紊乱，也就无法确定其落点。
图1
从这个角度来看，硬币最初释放时的细微差异，导致了硬币落点无法预测的巨大差异，这就是所谓的“混沌效应”。通过这个简明实验，让学生亲身体验“混沌效应”。
2.伯努利原理
在粗糙的桌面上放一枚5分或者1角的硬币（铝材料）。在硬币的前方20cm处放一只盘子，如图2所示。在硬币的上方猛吹一口气，硬币便会落入盘中。
图2
根据伯努利原理，在流动的流体中，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。这样，急速的气流经过硬币上方，硬币上方的气压要比硬币下方小些，使硬币上下表面产生压力差，把硬币托起来，顺着吹来的气流便进入盘子中。
3.液体表面张力
在高脚玻璃杯中装满水，小心翼翼地把硬币一枚一枚地放入杯内，已经投进了几十枚硬币了，杯中的水面已高出杯口，但水仍不会溢出。这个实验总能使学生惊愕不已。
仔细观察水面，会发现水面已形成凸面的形状，这是水的表面张力造成的。因为表面张力的作用，使水面在高于杯口的情况下仍不会溢出来，凸起的部分的体积可以容纳几十个硬币（如果你再撒入一些盐，由于水分子之间还存在着空隙，故水还不会溢出来）。
高中物理教材“固体和液体的性质”一章中，有一个小实验，要求学生用棉纸把缝衣针垫起放在水面上，当棉纸被水浸湿下沉后，缝衣针会浮在水面上。笔者在做这个实验时，发觉用硬币代替缝衣针做起来更容易成功。
4.弹性碰撞
把几个相同的1元硬币放在光滑桌面上，一个紧挨一个地排成一排，再在这排硬币的后方放一枚相同的硬币。用水指把这一枚硬币弹向前面的硬币，结果是最前方的一枚硬币被弹了出来，如图3所示。如果用手指弹射两枚硬币，结果是最前方的两枚硬币被弹了出来……手指弹出的硬币数总等于前方被弹出的硬币数。
硬币的碰撞可视为弹性碰撞。碰撞前后系统的动量和动能都守恒。可以证明，这两枚相同的硬币碰后交换速度。
当一枚硬币弹向前面的一排硬币时，可视为速度不断地发生交换，最终最后一枚硬币获得了弹射硬币相同的速度，被弹射了出来。若是两枚硬币一起弹向前面的一排硬币时，原理类推。
试一试：光滑的桌面上放一叠相同的硬币，不准用手接触这一叠硬币，而将硬币从下至上取出来，怎么办呢？
只要用手指将1枚硬币弹向最下面的硬币，最下面的硬币便会被弹出来（图4）。用同样的办法，就可以将所有的硬币一枚一枚地都弹出来。而且弹起来会越来越容易（为什么？）。
5.接触电位差（伏打电池）
取一些铜质硬币（取铜锌合金5角硬币，不是铜芯镀铜的5角硬币）和铝（锌）质硬币（如铝镁合金的1角硬币），将硬币表面打磨洁净，把一张用盐水浸透的纸片夹在铜质和铝质硬币之间，用电线把两块硬币接通，电路中就产生了电流（比较小，不到0.5V）。再把多枚铜质和铝质硬币串联起来，增大电动势，这就是伏打电池（如图5所示）。
图5
两种不同的金属接触时，双方自由电子相互扩散而在接触表面两侧出现异号电荷（铝质硬币带正极）形成电位差，这就是接触电位差。目前高中物理课程标准实验教科书（人教版选修2-1）涉及到了这类问题。
6.暂态磁化
准备若干1元硬币和一块小磁铁（磁性尽量强些）。用手拿住磁铁，在磁铁的下端能挨个挂成一长条硬币串（可以达到4～6个），如图6所示。用手指轻轻拨动最下面的硬币4，此时将发现硬币4会绕竖直轴方向自由旋转而不会掉下，有时还能带动硬币3一起旋转。
图6
1元硬币是一种软磁性物质。当硬币接近磁铁时会被磁化，而一旦硬币离磁铁较远时，就会立即失去磁性。因此，1元的硬币具有被磁铁暂时磁化的特性。硬币离磁铁的距离越近，其磁性也就减弱。由于硬币4和3间的磁性吸力不是很强，其间的摩擦力也就不是很大，因此硬币4能够在空中自由旋转。
7.磁力排斥
将磁铁固定在铁板上，用手指将两枚硬币叠在一起竖立放在磁铁上端的磁极N上，硬币被磁铁牢牢吸住，但是一旦松开手指，发现其中一枚硬币会被另一枚硬币所推倒（如图7）。如果你用手指将1竖起来，又会发现2会被1推倒（如图8)，将2竖起来，1又被推倒，这样推来推去可以反复进行下去。
这是因为两枚硬币叠在一起放到磁铁的磁极N上，它们同时被磁化，它们的下端和上端分别是S极和N极。在较强的磁性斥力作用下，会被相互推倒。
试一试：你用手指将3枚硬币叠在一起竖立放在磁铁上，当你稍微松开手指时，会发现中间这枚硬币被推弹了出去（为什么？）。
【第2则】 巧用激光笔
激光笔是一种形似钢笔的微型半导体激光器（如图9所示），价格低廉，小商品市场上到处可买到。它发射的激光为红色，波长约
，功率约1MW，用三节纽扣电池作电源。其特点是光线集中、射程远（可达150m）、体积小和颜色鲜艳，颇受人们的喜爱。它比实验室里的氦氖激光器的光束略粗，但它可以把光束进行适当扩缩。这只要将激光笔里的会聚透镜略微转进或转出即可（这是一个很少有人了解的特性）。
图9
用激光笔可以方便地代替其他光源进行光的直线传播、光的反射、光的折射和光的全反射演示（略）。此外，还可以挖掘它的实验潜力，指导学生做许多极富有创意的实验。
1.光的直进与散射
①在大烧杯内放满略带浑浊的水，让激光笔的光射入杯内，可看见杯内的红色直线，说明光在均匀介质内是沿着直线传播的。
②在晴朗的夜晚，熄灭教室的全部灯光，让一束激光穿越教室至空旷处。由于没有任何光线进入人的眼睛，所以根本看不到任何光束。这很让学生惊讶，从而可以很好地说明教材中的一个讨论题：我们能够看到穿过小孔的一束阳光，而为什么宇航员看到的太空却是一片漆黑呢？
③在上步的实验中，如果点燃一支香烟，让烟雾弥漫在激光束行进途中，就可以看到一束红色的光束，这又说明了什么？
2.小孔成像
市场上的激光笔附带有4～6个不同图案的笔头（如手指头、五角星、美少女等）。让带有手指头（四指朝上）图案的激光束通过小圆孔后直射到墙上，可以清晰地看到四指朝下的红色图案（如图10所示），这便是小孔成像。
图10
试一试：改变小孔的形状（方形、三角形等），观察图像的变化；逐步增大小孔的直径，观察图像又发生哪些变化。
3.反射器
三个平面镜相互垂直，构成了一个著名的反射器。通过激光笔演示，可以证明（教材中有此习题）：无论光线以多大入射角射入，反射光线都平行于入射光线射出（图11所示）。
演示：如果用激光笔照射三面镜子相交的那个角落（如图12），会怎样呢？
你看到的奇妙现象是：从镜子里反射出来的光线，正好又照回到激光笔上。无论你把激光笔移到可处，只要是有光照到这个特殊的角落，反射光总是按原路折回。当然，从这个特殊的角落照自己，无论你的脸在何处，只要你看得到这个镜面组成的角，就能看到你自己的像。
4.海市蜃景
取长方体玻璃缸（长度30cm、高和宽约10cm），将白糖配制成饱和的浓糖水，在玻璃缸内先装半缸清水。再设法将浓糖水注入到玻璃缸的底部，使缸内下半部分为浓糖水，上半部分为清水（不能搅动！）。2天之后，糖水扩散，形成由下至上浓度渐渐变小的溶液。糖水浓度越小，其折射率也越小。现在，让激光从玻璃缸的一端斜向上射入，你会发现光路并非是直线，而是一条向下弯曲的红线，如图13所示。从容器的左端向右观察，感觉激光笔在右上方了！这就是海市蜃景现象了。
图13
5.光的干涉与激光波长的测量
用刮胡须刀片在纸片上划出两条靠得很近的细缝（间隙d），在暗室中让激光通过细缝照射到光屏上，可看到清晰的干涉图样，如图14所示。如果测出双缝到光屏的距离l，量出干涉条纹两亮斑的宽度△x，那么，根据
就可求出激光的波长。
图14
b.光的衍射
用针在纸片上刺出几个大小不同的小孔，仔细调节，让激光笔发现的激光正好对准小孔的中心，在屏上可以看到明暗相间的衍射圆环。小孔直径越小（可用电火花打点计时器在纸上打出小孔），衍射圆环明暗的间距就越大。最好在暗室中进行，能观察到的衍射圆环直径可达几十厘米。
如果要观察单缝衍射（或单缝干涉）现象，则要在激光笔前加一个柱形透镜（可用一小段细玻璃棒做成），这样，就将激光向一个方向扩束。
7.二维花样光栅
有一种透明胶片，上面刻有各种形状的网格（图15），称为二维光栅。在暗室中用激光束照射这种光栅可在屏上观察到二维衍射图象。不同花样的光栅，其衍射图象的花样也不同，其图案非常好看（如图16）。
8.泊松亮斑
一束光照到一个不透明的圆板上，结果光在圆盘后的阴影中心出现了一个亮斑，这就是著名的泊松亮斑。泊松亮斑的奇、趣、妙，引起了学生浓厚的兴趣，很适宜指导学生进行课题研究。
用半导体激光笔来观察泊松亮斑，需要将激光束进行适当扩束。其方法是：将激光笔的里面的会聚透镜略微转进或转出即可。菲涅耳圆盘（不透明圆点）到激光笔的距离为10cm～20cm，到光屏的距离约1m～2m，如图17所示。菲涅耳圆盘可以用一个直径为1mm～2mm的小钢珠来代替，调节激光笔的会聚透镜使激光束直径比钢珠略大，在屏上就可以看到小钢珠的阴影中心有个小亮斑，给人的感觉就好像钢珠是透明一般，阴影内外还有衍射条纹（如图18）。整个装置可以固定在支架上（光屏可省略），这样可以在课堂上很方便地随时演示，教学效果简直是好极了！
图17
图18
书写圆珠笔的笔尖上有一颗小小的滚珠，设法用细铁丝将其铳出，用502快速胶水将小滚珠粘贴在盖玻片上（生物实验室用），这就做成了一个很好的不透明圆斑，演示效果特别好（用喷墨打印机在透明胶片上打一个小黑圆点来充当不透明圆斑，实验效果也不错）。
9.反射光栅和测定光栅常数
衍射光栅包括透射光栅和反射光栅。CD光盘是由一种质量很轻的材料制成的聚碳酸酯基片，刻有约20000条含有“坑”的螺旋形数码轨迹，“坑”的宽度约0.4μm，间距约1.6μm，即螺旋线轨迹很细、很密，具有很好的反射光栅的功能。现沿径向方向切割一小块作为反射光栅，并固定好（使光栅平面处于竖直状态）。
在暗室里，让激光笔径直照在光盘上取下的这块光栅中心点，并反射到墙壁上，在光屏上可清晰地看到从反射光栅反射后形成的衍射图样——墙壁上有一组激光亮点，如图19所示。据此，我们还可以研究其光栅常数（略）。
图19
10.光杠杆
利用光杠杆显示微小形变。如图20所示，用夹子夹住激光笔，桌子置两面反射镜，调整角度使光线经两次反射后照于天花板上。当用力压桌面时，天花板上的光斑会发生明显的移动。说明在力的作用下，桌子发生了形变。
图20
如图21所示，用激光笔照射套在音叉上的小镜片，反射到旋转镜上，再反射到光屏，光屏上显示出亮点。用橡皮槌击打音叉后，调整旋转镜的转速，就可以在光屏上得到音叉振动的图线来。
图21
利用光杠杆显示微小形变还可以衍生出更多更巧妙的实验来，如显示墙壁的微小形变、显示金属杆的热膨胀、制作光秤等，限于篇幅，在此从略。
11.布朗运动
课本上介绍的是用高倍显微镜观察液体中的布朗运动，实际操作使用不是很方便。下面的方法使用起来效果很好。
图22是观察气体中烟雾的布朗运动装置（杭州夏蒙生老师制作）。烟室用塑料粘贴而成，内壁涂以黑色，长、宽和高约2cm×2cm×1cm，上面开有观察窗口。用激光笔作为照射光源，须将激光笔会聚透镜外的调节螺丝向外旋出一点，使激光束略微会聚。使射出的激光速进入烟室后近似地会聚在显微镜的物镜下方，以增强烟雾的反光强度。实验时让少许香烟的烟雾进入烟室（可用滴管上用的气球吸入），稍等片刻，让激光射入烟室，可通过观察窗看到激光的径迹，用低倍显微镜(50倍，如图23)从观察窗口看到烟雾颗粒不停地闪烁翻滚，景象十分壮观。这就是气体中的布朗运动——空气中的分子不断撞击烟雾颗粒所致。
用同样的方法可以改制成观察液体（悬浊液）中的布朗运动（略）。
图22
图23
其他像气球、鸡蛋、橡皮筋、太阳帽、眼镜、飞碟……都可以创造出极为精彩的实验来，刘炳升和冯容士先生主编的《中学物理实验教学与自制教具》一书中曾作了许多论述。