妙用日常物品巧做物理实验

赵波

科学探究是学生四大物理核心素养之一。所谓科学探究，是指学生基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制订方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。物理实验是学生进行科学探究的重要途径，实验能力是学生科学探究能力的重要组成部分，也是高考物理学科考查的五大能力之一。因此，实验教学在高中物理教学中具有举足轻重的地位和作用，是高中物理教学的重要组成部分。

《普通高中物理课程标准》（2017年版）指出：“在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验。”但在实际教学中，实验仪器陈旧老化等原因造成专用实验器材缺损或实验效果不佳，是导致高中物理实验教学不能正常开展的一个不容忽视的客观因素。那么，如何克服专用实验器材不足，获得更好的实验效果，落实物理学科核心素养培育目标呢？在日常教学中，笔者尝试利用身边常见的物品来替代短缺或实验效果不好的专用实验器材，改进和开发新实验，不仅圆满地完成了实验教学任务，落实了高中物理核心素养中“科学探究”素养的培养要求，而且设计出了一些有趣的新实验，在解决教学过程中遇到的困难的同时，让学生亲身体验物理就在身边，实现了教学目标。

在此，笔者以四个高一力学实验为例，与大家交流和探讨。

一、利用日常物品完成课堂演示实验

案例1：巧用激光笔演示微小形变

物品：激光笔（1支）、大山夹（1个）。

方法：用大山夹夹住激光笔的开关使其电源打开，把它们立在学生的课桌上（桌面水平），笔尖斜向上，如图1所示。适当调整倾角，让激光照在天花板上形成一个红色的光点，如图2所示。不断用力按压桌面，观察光点的位置。我们可以看到，随着手对桌面的按压，光点在天花板上的位置发生移动。这个现象生动直观地说明，用手按压桌面时，桌面发生了形变。

实验的巧妙之处：本实验是人教版高中《物理》（必修1）第三章第2节课堂演示实验“利用‘光杠杆放大法来演示桌面的微小形变”的改进方案。桌面对物体的支持力是弹力，由桌面的形变产生。由于学生无法直接看见桌面的形变，对此不容易理解，因此，做好显示桌面微小形变的演示实验非常重要和关键。由于课本上所提供的方案中平面镜支架不好调节，激光器不仅不容易固定和控制，而且一般学校没有。因此，在实际教学中，很多学校无法顺利完成这一演示实验。随着多媒体教学的普及，在学校找一支激光笔非常容易。相比于教材上原来的演示实验，本实验的器材简单、容易获取，不需要花费额外成本，操作简便，实验现象可视性强，学生容易观察，能和教材上原来的演示实验达到相同的效果。用改进方案研究桌面微小形变的实验过程，是基于事实证据对观点和结论进行检验进而提出创造性见解的过程，不仅圆满地完成了实验教学任务，还落实了物理核心素养培养目标，能引导学生形成良好的科学思维。

二、利用日常物品改进课堂探究实验

案例2：妙用教室白板探究力的合成规律

物品及器材：弹簧测力计（1个）、胸牌挂绳（1根）、钩码若干（50 g∕个）、剪刀（2把）、圆形钥匙环（1个）、细绳套（2个）、带刻度的大三角板（1个）、教室白板、白板笔（1支，笔尖细一些）。

方法：

1. 安装器材

（1）将胸牌挂绳一端套在白板上方的多媒体投影装置的横杆上，另一端挂一个弹簧测力计。调整挂绳长度，使弹簧测力计高度适中。

（2）把钥匙环挂在弹簧测力计挂钩上，拴上两个细绳套。

2. 操作并记录数据

（1）把两个细绳套分别穿过两把剪刀的剪柄，并分别挂上适当的钩码。

（2）如图3所示，甲、乙两位同学一人手持一把剪刀的剪片（注意：剪片要合拢，避免划到手受伤），通过调整剪柄的位置，让钩码互成角度地通过细绳拉弹簧测力计，使弹簧测力计的弹簧适当伸长，挂钩和钥匙环的连接点到达某一位置O。丙同学用白板笔记下O点的位置、两条细绳套的方向和弹簧测力计挂钩的方向，并记录此时弹簧测力计的读数和两组钩码的质量。

3. 处理数据、作图，共同分析和研究实验结果

（1）全班同学一起计算出两组钩码的重力大小，即等于两根细绳拉力F1、F2的大小。教师引导全班同学一起讨论如何进行作图研究。丁同学负责在白板上按同学们讨论的结果作图。首先，作F1、F2的反向延长线，找到两条反向延长线的交点O'。选取适当标度，在白板上按标度从O'点开始作两个拉力F1、F2的图示，利用三角板根据平行四边形定则求出合力F。

（2）按同样的标度用刻度尺从O'点沿弹簧测力计挂钩的反方向作弹簧测力计读数F'的图示，如图4所示。则F为F1、F2合力的理论值，F'为F1、F2合力的实验值。

（3）比较F'与F的大小和方向在误差允许范围内是否相同。

4. 改变两组钩码的个数和两根细绳的夹角，再重复两次实验

比较每次得到的F与F'在实验误差允许的范围内的大小和方向是否相同。

实验的巧妙之处：

（1）本实验器材简单，操作容易。就地取材、巧妙利用多媒体投影装置的横杆作为挂绳的支架，利用教室的白板替代原来实验所需的白纸，不仅简化了器材，而且避免了原实验固定橡皮筋、木板、白纸等麻烦。用两把剪刀的剪柄充当滑轮，让学生通过移动手的位置来改变细绳拉力的方向，巧妙地避免了安装滑轮和调整滑轮位置的困难，并且可以根据实际需要随意改变拉力方向。

（2）本实验可视性强，便于学生观察。利用白板画图，不仅节省了纸，降低了实验成本，而且作图空间更大;弹簧测力计伸缩长度也比橡皮筋大得多。不僅在讲台上进行实验操作的学生可以清楚地看到实验现象和过程，坐在教室各个角落的学生都可以清清楚楚地看到实验过程和细节，比原来的实验更适合全班同学一起进行课堂探究。

（3）利用日常物品进行实验，不仅克服了专用实验器材不足带来的困难，确保实验正常开展，而且用学生身边的常见物品和通用器材做实验，拉近了物理和生活之间的距离，使学生更强烈地感受到物理就在生活中，就在自己身边。

（4）本实验只需要用一个弹簧测力计，读数一次，进行一次操作就可以同时测出两个分力和合力的大小及方向。一次完成实验操作环节，缩短了实验操作的时间，为实验研究和讨论环节留出了更充足的时间。

（5）甲、乙两个同学既是实验操作者，又是实验器材的一部分，两种身份的叠加，让台上参与实验的学生和台下观察实验的学生，都能感受到物理学科的趣味性，使学生更充分地融入课堂实验当中，有利于调动他们学习物理的积极性。同时，甲、乙、丙、丁及全班同学的分工、交流、合作，有利于让学生体会科学研究中相互合作和相互交流的必要性。用此实验进行课堂合作探究，是在合作学习的基础上，基于观察和实验获取、处理信息，基于证据得出结论，对实验探究过程和结果进行交流和总结的过程，培养了学生的科学探究能力。

实验的不足和进一步改进措施：

（1）由于所用器材自身条件的限制，本方案的实验误差相对较大，但作为课堂合作探究实验，能基本得出正确的实验结论，取得良好的教学效果。

（2）钥匙环体积相对较小，坐在最后面的学生不容易看清楚。我们可以在钥匙环上加一个大大的指针，学生通过观察指针的位置就可以确定钥匙环的位置及其上下移动的情况。

三、利用日常物品开发新实验突破教学难点

在学习合力与分力关系的过程中，我们通过理论分析得到一个重要的规律：“两个分力大小一定，夹角越大，合力越小;夹角越小，合力越大。”通過几何作图或数学计算，学生很容易得出这一规律。但是由于缺乏实际经验和感性认识，学生理解起来感觉抽象和枯燥。能不能通过实验，让学生观察到这个现象呢？对此，我在案例2的基础上，又设计了一个创新实验，巧妙地帮助学生形象地理解这个规律。

案例3：案例2创新实验

方法：如图3所示，在两个细绳套上分别挂上适当的钩码并保持钩码的质量不变，即保持两条细线对钥匙环的拉力大小不变，逐渐增大两条细线的夹角，可以非常形象、直观地看到，钥匙环的位置逐渐向上移动，弹簧测力计的示数逐渐减小，说明细绳拉力的合力变小了;反之，逐渐减小两条细绳的夹角，钥匙环逐渐向下移动，弹簧测力计的示数逐渐增大，说明细绳拉力的合力变大了。

利用日常物品开发的新实验来验证合力与分力关系规律的过程，是利用实践来检验科学结论的过程，让学生体会到科学结论需要接受实践的检验，体现了物理核心素养中的科学本质。同时，合力与分力关系规律对本实验现象的解释和说明是运用所学物理知识解释实验现象的过程，此实验有助于培养学生形成物理基本观念。

四、利用日常物品完成学生分组实验

案例4：妙用PVC板验证机械能守恒定律

物品及器材：旧PVC板（1片）、铁架台（1个）、泡沫板（1块）、电火花计时器（1台）、U型台夹（3个）、大山夹（2个）、交流电源、纸带等。

方法：

1.用U型台夹把电火花计时器固定在PVC板的顶端，紧贴计时器下方固定一块小泡沫板，防止计时器滑动。如图5、图6所示。注意：为了保护电火花计时器，防止电火花计时器在实验过程中由于振动滑落，在U型台夹和计时器之间垫一块硬纸板。

2. 用两个大山夹把PVC板竖直固定在铁架台上，一套“验证机械能守恒定律”的实验装置组装完成，如图7所示。

实验的巧妙之处：“验证机械能守恒定律”实验是人教版高中《物理》（必修2）第七章中重要的学生分组实验。打点计时器是高中物理实验室的重要仪器，大多数学校都有配备。但要把打点计时器竖直固定在铁架台上，操作起来并不容易。利用固定在长木板上的打点计时器来进行实验是最简便的方法之一。但由于各个学校的实验器材使用年份较长，不可避免有一部分长木板损坏，加之每个班级学生人数较多（以本人所在学校为例，一个班级有50～60人，一般以2到3人为一组），为了保证每个学生都尽量动手参与实验，每次实验大概需要20多套仪器。一般学校现有器材的数量不足以满足分组实验的需求。PVC板、泡沫板简单易寻，PVC板质量轻且较薄，用两个大山夹就很容易固定在铁架台上了。这个方案很好地解决了竖直固定打点计时器的困难，而且也解决了因器材不足而无法正常开展分组实验的问题。利用日常物品组装“验证机械能守恒定律”的实验装置，确保了学生分组实验的顺利进行，也落实了高中物理核心素养当中科学探究素养的培养要求。

这些高一力学实验案例，很好地解决了专用实验器材不足或实验效果不佳造成的无法正常开展物理实验教学的困难，圆满地完成了相关实验教学任务。这些实验所需的物品容易获取，实验设计起来也并不困难，只要我们开动脑筋，不仅能有效地解决在高中物理实验教学中碰到的问题，落实高中物理核心素养培养的相关要求，而且能让学生更深刻地体会到物理就在自己身边，实现教学目标。利用日常物品改进或开发新实验，是解决高中物理实验器材短缺或实验效果不佳的有效办法。它促进了物理核心素养培育目标在高中物理实验教学中的落实和发展，在高中物理实验教学中发挥了积极的作用，值得我们进一步研究与探索。

◇责任编辑 邱 艳◇