借助新技术提升高中物理实验演示效果

2014-05-18裘思远

物理教师 2014年10期

关键词：图线振子数码相机

裘思远

（杭州萧山区第二高级中学，浙江杭州 311251）

1 利用小型数码产品使实验演示便捷、直观

技术的发展，各种数码产品已经走入普通家庭，例如数码相机手机.同时这些数码产品的功能也越来越多，那么在高中物理实验中能否运用这些功能呢？

1.1 数码相机的使用

现在数码相机已经是家庭的生活必需品了，不但可以拍照还可以摄影，但是一般我们只把它用做拍摄生活照片之用，如果有心还可以用在物理实验探索上.［1］例如，用数码相机研究平抛运动的轨迹.

图1

利用数码相机将小球的平抛运动过程记录下来，将得到的录像通过电脑和投影仪投影到黑板上，在播放器中按帧播放实验录像，在黑板上将小球所在的位置标记在黑板上，将各点用平滑的曲线连接，就得到小球平抛运动的轨迹.由于相邻两帧照片之间的时间间隔是相等的，均为1／30 s，只要测量相邻小球位置的水平位移，就很容易判断小球做平抛运动在水平方向上的运动特点.同时测量相邻小球位置的竖直位移，也能得到小球在竖直方向的运动特点，如图1所示.

1.2 手机的使用

图2

随着手机技术的不断发展，手机的功能越来越多，从而需要各种各样的传感器作为技术支撑，其中包括重力、声音和磁传感器等.手机最大的优点就是方便携带，在物理教师眼中，手机就是一个很好的移动物理实验平台，可以在具体的情景中随手做实验.

例如，在研究“超重和失重”时.以“huaweIp6”手机为例，在安卓系统下安装“TrIcorder”应用软件.手机小巧灵活，而且安装有重力传感器，能够对失重和超重现象进行研究.首先打开手机中“重力”功能，那么就可以观测时间和重力的图线.将手机从肩部快速举起，就会得到图2所示的图线.在起立过程中手机先向上加速后向上减速，即先超重后失重，结合图线观察图线显示重力传感器数值先增大后减小.

1.3 摄像头的使用

在物理演示实验中有些实验所能显示的现象变化比较微小，或者有些实验只能在特定的视角才能观察到明显的实验现象.通过摄像头可以将实验现象更加清晰地展示在课堂上.

例如，在研究肥皂膜的薄膜干涉实验（图3所示），在酒精灯的灯芯上撒上一些食盐，灯焰就能发出明亮的黄光.把铁丝圈在肥皂水中蘸一下，让它挂上一层薄薄的液膜.把这层液膜当成平面镜，用它来观察灯焰的像.在这个实验演示的过程中，通过摄像头来观察，将现象投影到大屏幕上可以让全体学生观察到清晰的干涉条纹.通过摄像头方位的调整，也可以转换观察视角，使学生更容易进入情境.

图3

2 运用DIS数字化实验系统使实验过程可视化

传统物理实验一般都是靠学生用眼观察、用笔记录、用纸计算、用表作图，但是很多时候由于物理过程变化过快、物理现象细微难辨、数据处理繁琐，这样在课堂中进行实验演示既影响了观察效果，又耽误了教学时间，还可能造成较大的实验误差.在使用了DIS数字化实验后，教学效果大大提高，因为它能够通过图像、表格等呈现手段将实验过程“可视化”.

例如，在研究弹簧振子振动周期时，由于振子在振动过程中速度比较快，如果学生仅仅是观察一下振子的来回振动，意义不大，因为对于振动过程中的关键物理量无法获悉，如回复力、位移、速度的变化.如果能利用DIS实验系统，就可以将位移发射器同一根绳子悬挂起来作为弹簧振子［如图4（a）］，并在它的两端连接弹簧，在弹簧的两端连接力学传感器，显示弹力的变化，这样就可以实时显示振子在振动过程中位移和回复力随时间的变化关系图［如图4（b）］.

图4

3 应用新能源材料使实验演示与时俱进

图5

新能源，特别是绿色能源能够符合环保理念，越来越受到人们的重视，如太阳能、热能、风能等，伴随着这些产业的发展，各种新兴材料也逐步出现在大众的视野中［2］.利用这些材料可结合高中物理教学的需要就可以开发一些实验.

选修3－3和选修2－2教材都提到了“半导体制冷技术”的材料.这种半导体制冷材料可以在电子市场中购买得到，将半导体制冷片与两块铝板制作一个实验装置（如图5）.例如，在演示温差热机时，可以将实验装置的两块铝板分别放入一杯热水和冷水中，当半导体制冷片两端存在一定的温差（一般40～80℃）时，半导体制冷片两端会产生一定的电流，装置中的风扇就会转动起来.

这个实验可以说明热力学第二定律的第2种表述“不可能从单一热源吸收热量并把它用来全部做功，而不引起其他变化”.我们把这样的实验装置称为热机，把两块铝板脚分别插入两杯水，一杯热水一杯冷水，片刻后，看到风扇转动起来.说明内能可以转化为其他形式的能，随着时间的推移，电扇的转速逐渐变慢，最后停止转动，此时再用手试水温，发现这时冷水变热了，热水变冷了，两者的温差消失.通过以上实验可说明只有单一热源的热机是不可能存在的.

4 使用电路仿真软件模拟实验探究过程

对于物理实验，应用Flash对实验过程、实验现象的动画模拟使物理过程能够清晰的展示在学生面前，但是动画模拟只是对物理过程的展示，缺少了对实验探究，在电子电路软件中有很多虚拟仿真的软件能够模拟物理实验的探究过程，这里以MultIsIm9为例进行介绍.

MultIsIm9电路仿真实验是一种在高中物理新课程教学中非常有效的实验方法，不但操作步骤简易而且效果也很好.例如，如图6（a）所示，这是在MultIsIm9中建立电路以研究自感现象.XSC1是示波器，它显示小灯泡X2两端电压的变化，而R2则是电源的内阻.开关初始时是断开的，当闭合和断开开关时，示波器中就会显示X2两端的电压变化，如图6（b）所示.随着开关闭合，X2先变亮后变暗，最后稳定在一定的亮度.而随着开关断开，X2突然变亮后又熄灭，而且可以观察到另一种现象，即开关断开电压反向，这说明开关断开，电流流过X2的方向与原来相反.