【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）中學物理實驗改進創(chuàng)新-優(yōu)秀教育碩士專業(yè)學位論文

- 附件 1： 全國優(yōu)秀教育碩士專業(yè)學位論文 推薦表 單位名稱： 西華師范大學 填表日期： 2014 年 4 月 17 日 論文題目 中學物理實驗改進創(chuàng)新 作者姓名 論文答辯日期 學科專業(yè)方向 蔣玙潞 2013 年 6 月 2 日 學科教學（物理） 攻碩期間及獲得碩士學位后一年內(nèi)獲得與碩士學位論文有關的成果 發(fā)表學術論文 (題目，刊名 ,時間，社會影響 ) 1、 蔣玙潞 ，曾體賢 J2012. 2、蔣玙潞，曾體賢 方式 J2013. 3. 蔣玙潞 ，曾體賢 J, 實驗教學與儀器， 2014. 4、曾體賢， 蔣玙潞 國，P文所產(chǎn)生的實際影響 (對作者工作及所在單位工作 ) 1、在讀研究生期間所發(fā)表的論文是我最后論文的主要組成板塊，是我完成畢業(yè)論文的重要鋪墊。 2、每篇論文都是一種實驗儀器的設計方案，提出的創(chuàng)新之處對中學物理教學有重要意義。 3、論文選擇涉及內(nèi)容為探究式 教學提供了一個新的研究方向，開闊一線教師視野，增強學生的探究能力。 出版專著(名稱、出版社、出版時間 ) 獲獎項目(名稱、等級及時間） 2012 年 9 月獲研究生校級三等獎學金 - 中文論文摘要(論文選題的意義 ,論文運用的主要研究方法 ,主要研究成果 ,主要參考文獻 ) 物理是一門以實驗為基礎的科學，物理教學過程與實驗過程密切相關，實驗的設計、演示、數(shù)據(jù)處理和得出結論的過程就是學生理解物理概念、領會物理規(guī)律的過程。本文提出 4 種實驗儀器改進方案：多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、向心力公式探究、驗證氣 體實驗定律。設計和改進的核心思想是將計算機輔助畫圖計算、傳感器、單片機等現(xiàn)代科學技術融入實驗儀器，使實驗過程更簡便，數(shù)據(jù)處理更快捷，結果更精確。 主要參考文獻 1 中華人民共和國教育部普通高中物理課程標準 M北京：人民教育出版社， 2003. 2 廖伯琴，張大昌普通高中物理課程標準解讀 M武漢：湖北教育出版社， 2004. 3 閻金鐸 . 中學物理新課程教學概論 M. 北京： 北京師范大學出版社 ， 2008. 4 魯剛 . 物理實驗 M. 北京 : 化學工業(yè)出版社 ,2007. 5 仲新 元 . 物理實驗指導用書 M 蘇州大學出版社 ,2008. 專家推薦理由 論文中所提出的多功能單擺，穩(wěn)度試驗儀，向心力公式探究，驗證氣體實驗定律四種實驗設計方案新穎，很好地做到了理論與實踐相結合，完全可以應用于中學物理教學實踐。 同意推薦該論文參加全國優(yōu)秀專業(yè)碩士學位論文評選。 專家簽字： 單位推薦意見 學位評定委員會分會主席（簽章）： 單位公章 年 月 日 說明：學科專業(yè)方向包括教育管理、教育技術、小學教育、學前教育、特殊教育、心理健康教育、科學與技術教育和學科教學，其中學科教學要說明具體方向，如學科教學（數(shù)學）。本表可復印、附頁。 - 分 類 號： 密 級： 學校代碼： 10638 學 號： 311045105005 碩 士 學 位 論 文 中學 物理實驗改進創(chuàng)新 多功能單擺，穩(wěn)度實驗儀，探究向心力公式，氣體實驗定律 姓 名 蔣玙潞 指 導 教 師 曾體賢 副教授 技能指導教師 彭孝勇 高級教師 培 養(yǎng) 單 位 物理與電子信息學院 學 科 專 業(yè) 學科教學（物理） 研 究 方 向 中學物理實驗儀器 申請學位類別 教育碩士 論文提交日期 二一三 年 四 月 論文答辯日期 二一三 年 六 月 西華師范大學學位評定委員會 四川南充 二一三年六月 - of of A to n of or y n of 2013目 錄 - 目 錄 摘 要 . I . 1章 前言 . 1 究實驗對物理教學的意義 . 1 內(nèi)物理實驗儀器研究情況 . 1 外物理實驗儀器研究情況 . 2 論文的主要工作 . 3 第 2章 中學物理教育中實驗的基本方式 . 4 證型實驗 . 4 究型實驗 . 5 放型實驗 . 6 種實驗的關系 . 7 第 3章 四種實驗儀器的改進和創(chuàng)新 . 8 種封閉式多功能的單擺實驗儀器設計 . 8 . 13 . 15 . 20 . 21 . 22 第 4章 創(chuàng)新型實驗儀器應用于教學實踐 . 23 . 23 . 23 . 23 單擺測量重力加速度 . 23 度實驗儀應用 . 23 . 24 想 氣體狀態(tài)方程的實驗儀應用 . 24 第 5章 展望 . 25 目 錄 - 參 考 文 獻 . 謝 . i 關于學位論文使用授權的聲明 . .于學位論文原創(chuàng)性的聲明 . 學期間的科研情況 . 5 摘 要 I 摘 要 物理是一門以實驗為基礎的科學，物 理教學過程與實驗過程密切相關，實驗的設計、演示、數(shù)據(jù)處理和得出結論的過程就是學生理解物理概念、領會物理規(guī)律的過程。本文提出 4 種實驗儀器改進方案：多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、向心力公式探究、驗證氣體實驗定律。設計和改進的核心思想是將計算機輔助畫圖計算、傳感器、單片機等現(xiàn)代科學技術融入實驗儀器，使實驗過程更簡便，數(shù)據(jù)處理更快捷，結果更精確。 本文總共分五個章節(jié)，第一章分析中學物理實驗儀器研究現(xiàn)狀、優(yōu)點與不足之處；第二章介紹驗證型實驗、探究型實驗、開放型實驗三種實驗的基本情況與聯(lián)系；第三章提出多功能單擺、穩(wěn)度實驗儀、 向心力公式探究、驗證氣體實驗定律 4 種實驗儀器具體改進措施及其實驗方案，為本文重點研究內(nèi)容；第四章將設計方案應用于教學實踐，做到理論與實踐的結合。第五章是對本研究內(nèi)容的總結和展望。 關鍵詞： 中學物理；探究教學；實驗儀器；改進創(chuàng)新。 I is a on is to of is on is to of is of is is is is is at to of of of is of is is of 第 1 章 前言 1 第 1 章 前言 究實驗對物理教學的意義 近年來，隨著新課程改革的不斷深入，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力 和實踐能力為主的素質教育成為課程改革的基本方向 1，探究也就成為新課程改革實施以來頻繁出現(xiàn)在教育中的新興詞匯 2。探究式教學是教育工作者不斷研究的重點課題，是發(fā)現(xiàn)式教學的重要理念，也是當今國內(nèi)外使用的主要教學方式。對探究的研究已成為對教育教學研究的重要部分。物理教學作為科學教學的重要分支，貫穿于整個中學教育階段，將探究的思想融入教學中是物理教學的主要方式，也是決定物理教學發(fā)展的重要因素之一 3。物理作為以實驗為基礎的科學，對實驗的探究過程是物理探究式教學中最重要的環(huán)節(jié)。物理實驗的設計，演示，數(shù)據(jù)處理和 得出結論的過程就是學生理解物理概念，領會物理規(guī)律的過程 4。因此探究實驗成功與否成為決定物理教學成敗的重要因素之一。 中學生正處于感性思維向理性思維過度，抽象概括能力逐步形成的時期，直觀教學原則應貫穿于整個中學物理教學中。因此用具體形象演示來進行科學教育更有利于他們對物理知識的掌握，而物理實驗的過程正是物理知識最好的演示方式，也是學生最直接獲得知識的過程 5。精確度高，操作簡單，現(xiàn)象明顯的實驗可以讓學生更好的掌握和理解物理知識。因此中學物理實驗儀器的研究對中學物理教學具有重要意義。設計出適合中學物理演示 和探究的新型實驗儀器，不僅能豐富課堂教學，更能提高學生的探究意識和創(chuàng)新能力 6。 內(nèi)物理實驗儀器研究情況 隨著新課程理念的實施，中國大陸地區(qū)的中小學教育逐步將探究融入其中。特別是在課程改革較早，成果較好的上海，廣東等地區(qū)，對探究性學習和探究式教學的應用已取得較好成績。不少研究新課程改革的教育教學工作者在理論上強調實驗創(chuàng)新的必要性 7，如華東師范大學朱敏教授提出虛擬物理實驗與教學結合的重要性；湖南師范大學的彭知文教授提出物理實驗創(chuàng)新設計應該便于問題情境創(chuàng)設、為探究活動提供良好平臺、讓學生獲得成功 體驗三個理念；廣西師范學院王海波老師提出開放物理實驗室的想法；福建師范大學黃樹清教授提出課外簡單實驗儀器設計思想。 第 1 章 前言 2 與此同時也有很多一線中學物理教育工作者提出了對中學物理教學實驗的改革和創(chuàng)新具體方案 8。如 浙江省溫嶺市大溪中學 ， 趙加忠 老師對安培力演示實驗的改進； 山東諸城市西郊學校 ， 董國榮 老師設計的 簡易力的合成演示器 ；黃梅一中張流注老師用可見光演示磁通量，幫助學生形象理解物理概念。 香港從 2009 年開始逐步實施高中科學課程改革 9， 新課程將以培養(yǎng)學生科學探究能力為其重點項目，明晰了進行科學探究的應有技能。 提出三種科學課程模式：傳統(tǒng)分科模式，組合模式和綜合模式，將物理、化學、生物學科結合起來，統(tǒng)稱科學課程。確定 270 小時的探究學習時間，并將探 究學習作為校本評核的重要評估方式。強調從小培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力，對于家庭小發(fā)明和科學實驗不僅老師可設計完成，學生也可設計創(chuàng)造。例如香港開展的“常識百搭”科學專題探究展覽，中小學生科學創(chuàng)造層出不窮。 但國內(nèi)對中學物理實驗創(chuàng)新仍存在以下問題： （ 1）在實驗儀器改進提出的方案很多，但應用于實際的方案卻較少； （ 2）實際物理實驗教學以教師講解實驗為主，實驗儀器緊張和教學時間不足是制 約實驗教學的主要因素 10； （ 3）教師自制創(chuàng)新型實驗儀器積極性不高，教學以傳統(tǒng)實驗儀器為主； （ 4）對力學實驗儀器的改進遠多于電磁學、熱學和光學。 外物理實驗儀器研究情況 從國外的情況來看，美國科學教育注重發(fā)現(xiàn)知識的探究過程，強調對知識的應用能力，強調學生應該 通過分析科學探究技能和科學探究的本質的要素，把實驗內(nèi)容與某些要素有機結合進行實驗設計 11。從實驗儀器的規(guī)范程度來看，美國中學物理實驗器材沒有規(guī)范的分類，實驗儀器要求學生和教師共同制作，提高學生創(chuàng)新能力。 英國物理教學大部分時間都在實驗 中進行，實驗過程要求學生自選實驗儀器安裝、設計實驗過程、完成實驗、分析數(shù)據(jù)、得出結論。特別注重學生能力培養(yǎng)和評價目標實現(xiàn)，改進實驗儀器在評價目標中有具體說明，促進學生發(fā)現(xiàn)物理知識的過程，對教師在實驗儀器上的把握提出較高要求。 日本和德國實驗創(chuàng)新主要體現(xiàn)在實驗數(shù)量和類型上，從總數(shù)量上看德國中學物理實驗個數(shù)是中國的 ，其中學生設計實驗是中國的 3 倍，而中國的演示第 1 章 前言 3 實驗是德國的 ，這說明我國實驗以傳授物理知識為主，而德國重視操作能力。日本注重學生生存教育，強調以生活用品設計創(chuàng)新型實驗，加強科學教學與生活實 際聯(lián)系，把間接知識轉化為學生直接經(jīng)驗，培養(yǎng)學生動手制作能力、科學實驗態(tài)度和探究科學規(guī)律興趣。 總的來說國外的物理實驗器材設計不僅僅是教師的工作，更是學生的學習任務，更有利于培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)造性思維 12。而對于探究的考查具有具體考評方式，完善的考評制度也是促成探究教育落到實處的有利措施。對于這一點我國對學生探究的考評仍停留在紙筆考核的傳統(tǒng)方式上，這不免讓教學停留在題海戰(zhàn)術上，不利于將學生探究過程落到實處。 論文的主要工作 針對國內(nèi)探究物理實驗教學的不足，本文主要做了以下幾個方面的工作： （ 1）總結中學物理教學中各種實驗類型的特點。 （ 2）針對實際中學物理實驗儀器不足，提出改革方案。 （ 3）提出四種創(chuàng)新型實驗設計，其高學生學習物理的興趣。 （ 4）將四種創(chuàng)新實驗應用在物理教學中的具體方案。 第 2 章 中學物理教育中實驗的基本方式 4 第 2 章 中學物理教育中實驗的基本方式 中學物理教學中對實驗的分類有很多種，本文就實驗進行方式的不同將實驗分為驗證型實驗、探究型實驗和開放型實驗三種類型，以下將對三種實驗進行具體闡述。 證型實驗 證型實驗的概念 驗證性實驗 是指對研究對 象有了一定了解 ， 并形成了一定認識或提出了某種假說 ， 為驗證這種認識或假說是否正確而進行的一種實驗 13。在中學物理教學中常見的驗證型實驗有驗證力的平行四邊形定則、驗證牛頓第二定律、驗證機械能守恒定律、驗證動量守恒定律、驗證單擺周期公式等。 證型實驗的目的 驗證型實驗的目的是在完整的實驗框架下驗證實驗結果，讓學生學會從理論到實踐研究物理規(guī)律的方法 14。在實驗過程中學生運用所學知識對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖像進行分析，驗證已學過的相關理論的正確性 ,從而加深對知識的理解 ,培養(yǎng)學生的推理能力、分 析能力 , 訓練其實驗技能。 證型實驗的特點 驗證型實驗過程受實驗步驟驅使，學生在已知實驗結果情況下進行實驗 15，實驗操作過程強調行為與規(guī)則的統(tǒng)一。實驗設計 通常有這樣一些特點：一是注重實驗預設，也即實驗所應用的儀器、操作步驟、實驗結論都是由教材或者教師進行預先設計，學生沒有太多自主權，也不需要教師和學生的創(chuàng)造性。 以驗證機械能守恒定律為例，實驗所用器材打點計時器、只帶、重物、鐵架臺等在教材中以圖示的方法展現(xiàn)，具體實驗步驟也有說明。 二是重視教師的示范與引導作用，學生通常是按部就班地進行驗證實驗，嚴 格按照教師示范步驟和規(guī)定的實驗程序進行；三是關注學生的求同思維，實驗之前要求學生提前預習，使學生對實驗的目標、要求，實驗得出的數(shù)據(jù)都有一明確的指向；四是實驗成功與否的評判標準唯一，即實驗結論與物理理論是否一致，如果有所偏頗，則要求學生從自身查找原因，改進實驗，以達到預設效果。 驗證型實驗常常與教學過程緊密結合，其組織策略主要分為教師演示實驗、學生的隨堂分組實驗兩種。演示實驗由教師進行實驗操作示范，教給學生正確的第 2 章 中學物理教育中實驗的基本方式 5 實驗方法和過程。不僅包括了儀器使用、實驗步驟、操作、讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、分析和推理，還包括實 驗結果的分析等。在分組實驗中，要充分發(fā)揮了教師的主導作用，先介紹實驗目的、方法及注意事項，學生在教師的步步指導下，逐步完成實驗，驗證科學結論，幫助學生理解物理概念，靈活運用物理知識解決相關問題。 究型實驗 究型實驗的概念 探究型實驗是指實驗者在不知道實驗結果的前提下，進行實驗探索分析，得出結論。以發(fā)現(xiàn)科學內(nèi)容，形成科學概念的認識活動 16。實驗方案可由教師提供，也可由學生自己設計完成。中學物理中常見的探究型實驗有探究力加速度質量的關系、探究小燈泡的伏安特性曲線、探究全反射產(chǎn)生條件等。 究型實驗的目的 探究型實驗通過讓學生獨立完成實驗設計、操作、得出結論的過程，讓學生學會科學探究的方法，從而培養(yǎng)學生 發(fā)現(xiàn)問題的能力、制定計劃的能力和解決問題的能力 ，提高 學生的問題意識和創(chuàng)新精神 17。 究型實驗的特點 從探究型實驗的過程上看，完整的探究實驗過程有 觀察思考、提出問題、猜想與假設、設計實驗、進行實驗、 數(shù)據(jù)處理、 分析論證、得出結論 等過程，但具體的情況要按實際操作設計。例如探究全反射產(chǎn)生條件這一實驗中由于探究的結果僅為一種現(xiàn)象，因此就沒有數(shù)據(jù)處理和分析論證環(huán)節(jié)。在探究型實驗 過程中學生處于主體地位，教師應該引導學生進行自主探究、合作探究 18。 從實驗方法上看，探究型實驗主要有一下一些方法 19 20： 1模型法 ， 即將抽象的物理現(xiàn)象用簡單易懂的具體模型表示 ，在實驗設計和報告中用模型的方法展示實驗現(xiàn)象。 如用太陽系模型代表原子結構，用簡單的線條代表杠桿等 。 2控制變量法 ， 自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象，往往是錯綜復雜的 ，而 決定某一個現(xiàn)象的產(chǎn)生和變化的因素常常也很多 ， 為了弄清事物變化的原因和規(guī)律，必須設法把其中的一個或幾個因素用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較兩個變量之間的關系 ，這種研究問題的科學方法就是 “ 控制變量法 ” 。如通過導體的電流和它兩端電壓 研究電流 的關系時，需第 2 章 中學物理教育中實驗的基本方式 6 要保持電壓 研究電流 的關系時，需要保持電阻 3轉換法 ， 一些看不見，摸不著的物理現(xiàn)象，不好直接認識它， 可 根據(jù)它表現(xiàn)出來的看的見、摸的著的現(xiàn)象來間接認識它們。如根據(jù)電流的熱效應來 探究功能轉化 ，根據(jù)磁場對磁體有力的作用來 探究磁場強弱等。 4等效法 ， 在研究物理問題時 ，有時為了 讓 問題簡化，常用一個物理量來代替其他所有物理量，但不會改變物理效果。如用合力替代各個分力，用 總電阻替代各部分電阻，浮力替代液體對物體的各個壓力等。 5 類比法 ， 在認識一些物理概念時常將它與生活中熟悉且有共同特點的現(xiàn)象進行類比，以幫助我們理解它。如認識電壓時，用水壓進行類比 ，認識電流大小時，用水流進行類比 。 6比值法 ，有時由于實驗條件限制我們無法得到定量的物理關系時，可以用比值法分析物理量的關系。如探究氣體實驗定律時，中學器材無法精確測量氣體體積 V,壓強 P，溫度 驗者可以利用控制變量法探究其比值關系，得出結論。 放型實驗 放型實驗概念 開放型實驗是指實驗室對學生完全開 放，改變過去學生只能定時在實驗室的“封閉”實驗方法 21。學生可以根據(jù)自己的實際情況選擇實驗時間，根據(jù)自己的興趣選擇實驗類型。改變了傳統(tǒng)實驗中學生被動的狀態(tài)，提高學生實驗的積極性和主動性。由于開放型實驗對學校設備、教師素質和學生技能要求很高，所以一般中學很難實施，有條件實施的中學常以選修內(nèi)容實驗作為開放型實驗要求學生自選完成 22。如探究影響穩(wěn)度的因素、探究碰撞中的不變量等。 放型實驗的目的 開放 型 實驗 的目的是在 實驗過程中培養(yǎng)學生的觀察能力、創(chuàng)新意識、動手能力、分析解決問題的能力，使學生始終 處于主動探索的狀態(tài)，養(yǎng)成獨立思考和積極進取的科學精神，為培養(yǎng) 具有 創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和實踐能力的跨世紀高素質人才服務，是驗證 型 、演示 型 實驗的 進一步 發(fā)展 23。 放型實驗的過程 提出實驗方案 第 2 章 中學物理教育中實驗的基本方式 7 這一過程要求學生通過查閱有關書籍、文獻資料，了解和掌握與課題有關的技術狀況、發(fā)展動態(tài)，并在此基礎上，根據(jù)實驗課題要求和實驗室條件，提出具體的書面實驗方案，包括實驗技術路線、實驗條件要求、實驗計劃進度等 24 2實驗 方案的討論與確定 指導教師在對實驗方案審議的基礎上，與學生開展討論。由 學生介紹實驗方案，指導教師根據(jù)可行性、實驗室條件等因素對方案進行修正，使之具有可操作性，滿足實驗目的要求，在尊重學生的創(chuàng)造性思維和基本要求的前提下，確定實驗方案。 3實 驗 過程 按照確定的實驗方案，在實驗室由學生自己動手預備必要的實驗材料、配置實驗裝置。開展具體的試驗和測試工作。指導教師負責現(xiàn)場指導，解答學生試驗中遇到的難題，啟發(fā)學生深入思考，創(chuàng)造必要的試驗條件，如分析條件、必要的設備材料等。 4 實驗 數(shù)據(jù)處理，得出結論 由學生自主對實驗結果數(shù)據(jù)進行分析、總結，教師對結果的分析方法、具體的分析問題進行指導， 使學生分析問題的能力得到鍛煉和提高，最 后 按要求編寫出實驗報告 ，得出結論。 種實驗的關系 驗證型實驗、探究型實驗和開放型實驗并沒有嚴格的界定，教師可根據(jù)教學需要選擇實驗方法。針對學生不同的基礎實施不同的實驗方案更有利于學生發(fā)展。以牛頓第二定律為例，對于基礎知識和操作能力較好的學生可選擇探究加速度與力和質量的探究型實驗，對于基礎水平一般的學生應選擇驗證牛頓第二定律的驗證型實驗。不同版本的教材在實驗內(nèi)容和方法上要求也不相同，例如滬科版初中物理教材要求學生探究液體表面張力，而人教版沒有此節(jié)內(nèi)容。實 驗器材、實驗條件與學校硬件設施有很大關系，因此具體實驗過程還是要根據(jù)實際情況來安排。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 8 第 3 章 四種實驗儀器的改進和創(chuàng)新 種封閉式多功能的單擺實驗儀器設計 統(tǒng)實驗儀器 現(xiàn)階段中學物理教學采用的實驗儀器如圖 1 和圖 2 所示。圖 1 所示的單擺實驗，是機械能守恒的驗證實驗，具體過程是讓兩個身高一樣的同學站在擺球兩端，進行“碰鼻實驗”。放開擺球后當擺球上升到另一端的最高點時，將碰到另一個同學的鼻子，從而驗證擺球在擺動過程中機械能守恒。但由于空氣阻力 的影響，擺球振幅減小，造成小球最高點位置很難判斷，實驗誤差大。圖 2 是教材中驗證機械能守恒定律的實驗儀器 26。紙帶與打點計時器的摩擦會影響實驗精度，且需要兩人以上進行操作。測量當?shù)刂亓铀俣?27，利用圖 1 所示單擺儀，用秒表計時，測出單擺周期，算出加速度。但用秒表計時誤差大，實驗過程復雜不利于用于演示實驗，且此實驗內(nèi)容很單一。 基于以上實驗的誤差大，操作復雜，可見性不高等不足，特提出一種新型多功能單擺實驗儀： 增加了真空封閉系統(tǒng)，控制擺球角度的電磁鐵，和方便計數(shù)的紅外線傳感器的模塊，該儀器既可以 可用于驗證 機械能守恒定律，動能定理，以及探究單擺周期與擺長，重力加速度定量關系， 讓實驗操作簡單，數(shù)據(jù)收集和處理智能化，實驗結果更加精確 。 驗設計 實驗設計如圖 3 圖 4 所示：圖 3 是儀器正面圖，圖 4 是擺球裝置放大圖。具體部件功能介紹如下： 圖 1：單擺 圖 2：機械能守恒定律的實驗儀器 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 9 1底座，固定支架； 2紅外線傳感器，記錄擺球通過最低點的速度、時間、次數(shù)； 3支架，固定擺線、橫桿、角度版； 4橫桿，改變擺球通過最低點時的擺長； 5角度版 28，讀取擺球偏離角度； 6抽氣閥門，定量抽取玻璃罩中的空氣；7有機玻璃罩 ，隔絕空氣，讓實驗過程形成封閉系統(tǒng)； 8電磁鐵 ,通電后吸引擺球，等效減小重力加速度 g； 9氣壓表，測量封閉系統(tǒng)中氣壓； 10擺線； 11電磁鐵 ,通電后吸引擺球，調節(jié)電流大小可改變擺球偏離角度； 12鐵質金屬 擺球；13電磁鐵 ,通電后吸引擺球，等效于增加重力加速度 g29； 14手動柄，從外部改變玻璃罩內(nèi)擺線長度； 15帶孔針，擺線穿過針孔后固定擺點，便于讀取擺長；16刻度尺，讀取擺長，其中零刻線與帶孔針齊平。 驗方案 1實驗一：驗證機械能守恒和動能定理 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設備放置好，將螺絲釘 固定好并圖上真空脂以密閉實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)為 10000，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門。 （ 3）確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵的開關，從角度版中讀出偏離角度 ，根據(jù)擺長可算出小球8 7 6 5 3 1 13 10 11 9 4 12 2 圖 3：新型單擺儀器正面圖 14 16 15 圖 4：擺球裝置放大圖 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 10 上升高度 ) 斷開電磁鐵開關讓小球自由下落，觀察小球擺動的振幅變化，由紅外線傳感器自動記錄小球下落至最低點時的速度。 （ 5）打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門，重復 4。 （ 6）改變偏離角度 和擺長 l 重復 4、 5。 （ 7）將記錄數(shù)據(jù)輸入 過計算機計算比較下降的重力勢能 與增加的動能221 k 的大小關系，從而驗證機械能守 恒和動能定理。 2實驗二：改變擺長下的機械能守恒 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設備放置好，在支架上任意一小孔中插入一根木條，小球下落到最低時擺長會改變。將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)為 10000，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門。 （ 3）確定擺球在左側擺動時擺線長度 1l ，右側擺動時擺線長度 2l （ 4）閉合電磁鐵開關，從角度 版中讀出左側最大偏離角度 1 ，根據(jù)擺長可算出擺球左側上升高度 )111 斷開電磁鐵開關讓自由下落，觀察小球擺動的振幅變化，從角度版中讀出右側最大偏離角度 2 ，根據(jù)擺長可算出擺球右側上升高度 )222 （ 5）打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關閉電動抽氣機 開關并放下抽氣閥門，重復 4。 （ 6）改變偏離角度 1 ，擺線長度 1l ，木條位置重復 4、 5。 （ 7）將記錄數(shù)據(jù)輸入 過計算機計算比較左側下降的重力勢能1與右側增加的重力勢能2p 的大小關系，從而驗證擺長改變過程中小球機械能守恒。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 11 3實驗三：用單擺測量重力加速度 （ 1）按圖 1，將實驗所用的設備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次 實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)為 10000，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門。 （ 3） 確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵開關，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關，讓小球自由下落，用紅外線傳感器記錄小球通過最低點的時間 1t 、2t 次數(shù) 1、 2 n ，可算出單擺周期。根據(jù) 2 可得 224T ，由此可算出當?shù)刂亓铀俣取?（ 5） 打開抽氣閥門再打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)分別為 100010010，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門，重復 3、 4。 （ 6）改變擺長 l 重復以上步驟。 （ 7） 將記錄數(shù)據(jù)輸入 算出重力加速度大小， 進而可研究空 氣阻力對單擺周期的影響。 4實驗四：探究單擺周期與擺長的關系 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)為 10000，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門。 （ 3） 確定擺線長度 l （ 4）閉合電磁鐵開關，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關，讓小球自由下落，用紅外線傳感器記錄小球通過最低點的時間 1t 、2t 次數(shù) 1、 2 n ，算出單擺周期。 （ 5）改變擺長 l ，重復 3 （ 6）記錄擺長與周期，數(shù)據(jù)處理。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 12 5實驗五：探究單擺周期與重力加速度的關系 （ 1）按圖 3，將實驗所用的設備放置好，將螺絲釘固定好并圖上真空脂以密閉次實驗裝置。 （ 2）打開電動抽氣機開關，將有機玻璃罩內(nèi)空氣抽出，觀察壓力表的讀數(shù)，當壓力表的讀數(shù)為 10000，關閉電動抽氣機開關并放下抽氣閥門。 （ 3）閉合電磁鐵開關，讓小球擺動角度小于 5 度，形成單擺。斷開電磁鐵開關，讓小球自由下落振動，用紅外線傳感器記錄小球下落到最低點的時間1t 、 2t 次數(shù) 1、 2 n ，算出單擺周期。 （ 4）閉合電磁鐵開關（由于電磁鐵對小球吸引相當于增加重力加速度），用紅外線傳感器記錄小球此時通過最低點的時間和 次數(shù)，將所得單擺周期與未閉合電磁鐵時比較。 （ 5）斷開電磁鐵開關，閉合電磁鐵開關（由于電磁鐵對小球吸引相當于減小重力加速度），用紅外線傳感器記錄小球此時通過最低點的時間和次數(shù)，將所得單擺周期與未閉合電磁鐵時比較。 （ 6）改變電磁鐵和電磁鐵中電流大小，重復步驟 4、 5。 （ 7）記錄電磁鐵中電流大小關系可得重力加速度與單擺周期的關系。 驗方案總結 本實驗儀器設計理念緊貼中學物理教學，操作簡單，現(xiàn)象明顯。其中加入了紅外線傳感儀和計算機輔助工具等智能化模塊，減小實驗誤差，提高了數(shù)據(jù)處理精度和速 度。實驗設計了抽真空模塊，做到讓學生在不同空氣密度下驗證機械能守恒定律。支架上加裝橫桿，可在最低點改變擺長，進一步驗證機械能守恒定律。采用可調節(jié)電流大小的電磁鐵吸引金屬擺球，從外部控制磁力大小。手動柄可在不拆開有機玻璃罩的情況下從外部調節(jié)擺線長度，帶孔針可以精確擺點，兩者結合使用可更好的固定擺長。在擺球上方和下方安置電磁鐵，實現(xiàn)控制重力加速度大小改變單擺周期，彌補教材探究實驗的不足 30。 此實驗設計方案既可作演示實驗，又可作學生探究實驗，實驗操作簡單，實驗現(xiàn)象容易觀察，實驗過程智能化，實驗結果精確。是適 合中學物理教學的創(chuàng)新型實驗儀器。 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 13 驗背景 物理是一門以實驗為基礎的科學，物理實驗是物理教學中重要的組成部分。注重科學探究是物理新課程標準理念之一，實驗探究作為物理科學探究的主要方式，對學生獲得物理知識起到至關重要的作用。新教材增加了不同系列的選修模塊，為興趣不同的學生提供更多選擇的機會。 例如平衡穩(wěn)定性這一課題中提到的穩(wěn)度 31，即介紹物體的穩(wěn)定程度。物體處于平衡狀態(tài)，物體的穩(wěn)度與重力，重心高度，穩(wěn)距（重心垂足到某一邊界點或線的距離，某方向上最小的穩(wěn)距叫易傾距） 有關。從影響穩(wěn)度的單一因素看，重力越大，穩(wěn)度越大；重心越低，穩(wěn)度越大；穩(wěn)距越大，穩(wěn)度越大 32 33。中學物理教材中未提及穩(wěn)距這一概念，而是用承重面積來初略描述影響穩(wěn)度因素之一，并說明承重面積越大，穩(wěn)度越大。教材通過豎放的磚比平放的磚更容易翻到，直接得出重心越低，承重面積越大的物體穩(wěn)度越大。然用肉眼很難判斷磚翻轉時的臨界偏轉角，導致實驗結論缺少科學探究過程。針對穩(wěn)度，目前還沒有合適的配套實驗儀器。 本文設計出一種 由輪軸、轉動軸、轉動板部件組成的 穩(wěn)度實驗儀， 可 探究物體的穩(wěn)度和破壞平衡穩(wěn)定被的因素。此實驗 儀器制作容易，操作簡單，現(xiàn)象明顯，不僅可以定性探究影響穩(wěn)度的單一因素，也可以探究平衡穩(wěn)定被破壞的原因。 驗設計方案 實驗設計方案如圖 5所示，具體部件功能介紹如下： 1 2 4 3 5 6 圖 5 平衡穩(wěn)定儀正視圖 7 8 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 14 1 厚木板，固定配件； 2 滑輪，使細線可平穩(wěn)拉動； 3 輪軸，固定轉動軸使之轉動； 4 轉動軸，轉動木塊； 5 木條，防止物體在木塊上滑動； 6 轉動板，放置物體； 7細線，拉動木板，使之偏轉角改變； 8 量角器，測量木板轉動角度。 驗步驟及其結果分析 1 實驗步驟 （ 1）選擇底面積相同重心高度不同和重心高度相同底 面積不同的三個的長方體木塊，如圖 6 所示： 1 和 2 底面積相同，重心高度不同； 1 和 3 重心高度相同，底面積不同。 （ 2）將木塊 1 放到儀器木板上，置于木條后面緊靠木條（保證每次放置木塊的位置相同）。 （ 3）緩緩拉動細線，使木板傾斜。到木塊翻倒時停止，記錄木板此時偏轉角度，如圖 7。 （ 4）用木塊 2、 3重復步驟 2、 3。 （ 5）比較三個木塊翻倒時木板偏轉角度，偏轉角度越大的木塊其穩(wěn)度越高。 （ 6）控制質量，接觸材料，形狀等單一變量，重復以上過程，可以探究其他因素對物體穩(wěn)度的影響。 （ 7）標記木塊的 重錘線可看出：木塊翻倒時，也就是平衡穩(wěn)定性被破壞時，物體重錘線 正好離開接觸面的邊界 線，如圖 8。 圖 6 重心 與底面積 不同的木塊 1 2 3 圖 7 木塊翻倒時的圖示 圖 8 木塊翻倒時重錘線的圖示 第 3 章 四種實 驗儀器的改進和創(chuàng)新 15 2 實驗結果 （ 1）通過 1得出：重心高度是影響穩(wěn)度的因素之一，且重心高度越高的物體穩(wěn)度越??；承重面積（不是接觸面積）是影響穩(wěn)度的因素之一，且承重面積越大的物體穩(wěn)度越大。 （ 2） 通過 6可得出：質量是影響穩(wěn)度的因素之一，且質量越大的物體穩(wěn)度越大；穩(wěn)距（主要通過形