低成本物理实验的研究与开发

低成本物理实验的研究与开发

摘要：本文介绍了什么是低成本实验及它对中学物理教学的意义，并通过具体实例从物理原理、实验材料、操作过程与数据处理等方面说明它的特点，本文对开发与利用低成本实验有一定的参考价值。

关键词：物理实验低成本实验自制教具

实验教学是物理教学的重要组成部分，又是落实新课程目标的重要途径，但实验教学又是物理教学的薄弱环节，因受学校经费不足和设备缺乏等原因，极大地影响了物理新课程的实施。积极开展低成本实验的研究与开发是解决这一矛盾的有效途径。所谓低成本实验指的是价格低，花费少的实验。教师常使用日常生活用品、废旧器材等自制低成本物理实验仪器，用它们代替实验室专用仪器进行物理实验，以此解决仪器短缺难题，满足实验教学需要。本文通过具体实例，说明低成本实验在物理原理、实验器材、操作过程与数据处理中的特点，从这四个方面指明低成本实验研究与开发的方向。

1简单的物理原理是灵魂

低成本实验的目的就是通过实验仪器的改进与创新，巧妙地将简单的物理原理揭示出来，让学生深切地感受到物理实验的真实性。

1.1共振摆的改进

教材提供的共振摆演示实验，其实验现象是明显的，但本实验只能演示摆长相同的两个摆发生共振的现象。笔者对此实验进行改进，如图1所示，通过调节旁边小球的高度能够让中间任一个小球发生共振现象。制作时，在木架两侧的木条上钻两个等高的小孔，用铅丝折成“7”字形，水平段穿过木条的两个小孔，水平段的中部向下弯折，略低于两小孔，这样当铅丝摆动时就能对系在其上的小球提供周期性的驱动力，水平段用胶带纸粘贴一长条形硬纸片，这样木架内部的三个小球可以用夹子加以固定，并可随意调节高度非常方便。在木架的右侧将金属小球穿过钢丝，下方用一螺丝固定。操作时，调节金属小球的高度，使其与其中一个小球等高，让它前后摆动，三个小球受钢丝周期性的驱动力的作用也前后摆动起来，但与圆柱体等高的小球振幅最大，发生共振。改变金属小球与中间的另一小球等高，则变为该小球振幅最大，发生动振。改进后的实验可随心所欲地改变母摆的摆长，进行多次操作，更能揭示共振的本质。

1.2声波的干涉演示实验

在进行波的干涉这节课的教学时，常常做这样的演示实验：敲击音叉，让学生在音叉的周围走一圈去感受声波的干涉现象，但本实验干涉现象不够分明。笔者用mp3与电脑音箱配合使用实验效果良好。本实验的关键是如何获得正弦式音频信号。用音频制作软件adobe Audition 1.5可以生成任意频率的正弦式音频信号。用该软件生成多种不同频率的单声道正弦音频信号并保存为mp3

格式，导入mp3播放器确保它能正常播放。实验时，将一对电脑音箱放在讲台上，两者相距约0.5m，mp3播放器产生的音频信号输入电脑音箱，教室里就产生了干涉的声波场，在教室的每一个角落，只要观察者前后左右移动头部，便会听到忽响忽轻的声音，演示效果十分明显。改变不同的音频信号频率，比较实验现象的变化。本实验用mp3播放器能方便地实现播放、暂停、重复等操作，两振源的距离可方便地进行控制。通过演示，能让学生亲身体验声波干涉现象的真实性。

2简易的制作材料是躯干

低成本实验有时也称简易实验，简易的制作材料构成了低成本实验的躯干。它价格低廉、结构简单，却总能给人以亲切感。

2.1感应起电演示仪

静电实验是电学中比较重要的一类实验，但由于静电实验容易“失败”，许多物理教师往往望而却步，其中感应起电就是其中之一。笔者用椰子汁罐头和静电计组合进行实验收到了很好的效果。制作时，将两只静电计的金属球取下，将两只椰子汁罐头顶部沿内侧挖空，底部钻两个小孔，孔的大小与静电计金属杆直径相同，将两只罐头分别悍接到静电计上，如图3所示，操作时，将两只罐头对接在一起，用一个带电球去接近其中一只静电计的底部，发现两静电计指针张开，移动静电计底座，将两只罐头分离，移走带电球，两静电计指针依然张开。再将两只罐头再次接触，指针都闭合。本实验构造微不足道，关键是能否想到将罐头与静电计接合起来，发挥静电计在检验物体是否带电时的灵敏特性。

2.2静电除尘演示实验

静电除尘在工业生产中有着重要应用，笔者用饮料瓶、细铜丝、粗铜丝、高压发生器（或韦氏感应起电器）等制作了静电除尘演示仪，模拟了静电除尘的过程。制作时，取饮料瓶中间一段，在其外侧绕上细铜丝，绕好后在外侧粘上一层透明胶。铁架台中间的钢筋套上PVC管起到绝缘的作用，粗铜丝插在瓶中间，将粗铜丝与细铜丝分别接高压发生器的两极。操作时，下方点燃多段蚊香产生白烟，如图4左图所示。接通高压开关后，白烟立即消失，效果十分明显，如图4右图

所示。本实验中，饮料瓶与铜丝等都是极易找到的材料，制作成本低廉。饮料瓶是塑料的，制成后不易捽破；饮料瓶是透明的，在近处可观察到烟尘的消失瞬间的运动情况。

3简便的操作过程显魅力

开发低成本实验，应考虑实验过程的简便性，通过事先的设计与制作，制成可操作性强、稳定性好的教具，体现实验的独特魅力。

3.1电容器充放电演示实验

教材用电流表来显示瞬间的充放电过程，实验容易成功，但缺乏新意。笔者用音乐卡片制成电容器充放电功能演示器，其操作简便，演示效果很好。制作需3300uF/25V电解电容器一只、音乐贺卡两张、干电池两节、单刀双掷开关一个、导线若干、木板一块。制作时，先用word绘制电路图打印后粘贴在木板上，将电池盒固定在木板上，导线连接处用电铬铁焊接，单刀双掷开关接线完毕用木螺丝固定在板上。操作时，将开关打向1，电容器充电，音乐卡片发声，当充电完成时，音乐卡片停止发声；开关打向2，电容器放电，当放电完成时，音乐卡片停止发声。充电与放电时间在半分种左右，并随充放电电流的减小，发声的音调也逐渐变低。本实验制成了示教板，使实验电路图一目了然，这节约了实物连线的时间，操作也十分便捷。

3.2竖直机械横波演示仪

教材用绳子在水平方向演示机械横波，实际操作很难做成功。笔者用乳胶管、钢锯刀片、保险丝等制作可竖直方向演示机械横波的演示仪器。操作简便，现象明显，如图6所示。绳波波速方程为v=(大学内容)。由于绳子张力T由下而上依次递增，所以绳子中波速由下而上依次递增，由v=λ·f得波长由下而上依次递增。为解决这一问题，竖直机械横波各振子质量应各不相同，由下到上质量依次递增，设计16个振子，理论计算各振子的质量，用保险丝做振子将它们依次固定在乳胶管上，上端与钢锯刀片连接。操作时，将装置竖直放置，手握住上端并周期性摆动，形成竖直方向传播的机械横波，实验现象明显。本实验在计算振子的质量与组装实验仪器时化费了不少的时间，但这换来的是便捷的操作过程，给人以一种美的享受。

4快捷的数据处理是追求