探究高中物理实验创新改进思路研究

谭舒心

摘 要：该文以高中物理创新实验为研究对象，首先探讨了物理学科和创新实验的特点，指出加强高中物理的实验创新，是物理学科本身的要求。其次对自由落体运动和自制电动机模型实验进行了创新性改进，通过创新实验的设计、制作、使用、评价及改进等过程，我们可以领会科学的思想方法，培养基本科学素养，努力提高实践能力和创新能力。

关键词：高中 物理 创新 实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0239-02

1 物理学科与创新实验的特点

正如我国著名物理教育家、苏州大学朱正元教授所说“千言萬语说不清，一看实验就分明”，物理创新实验充分体现了物理学科的重要特点，体现了科学探究的基本思想和重要方法。物理实验中所包含的物理观念、思想方法和实验技能等方面的素养是科学素养、创新精神形成和发展的基础和重要组成部分，因此加强高中物理的实验创新，是物理学科本身的要求。

创新实验关键在于创新，没有整齐划一的实验要求，没有固定的实验程序，没有标准的实验答案，只要原理正确、操作简单、现象明显、结果清晰，都是应该提倡的好实验。这样的创新过程为学生的创新思维发展提供了广阔的空间。学生也可根据自身的知识水平和实践能力设计切实可行的创新实验，体验实验创新过程的艰辛，并在创新中不断地反思自己、批判自己、提高自己，在实践中不断发现问题、提出问题、解决问题，从而达到思维发展与个性发展双赢的局面。

2 探究自由落体运动的性质

2.1 实验背景

《自由落体运动》是以学习包的形式呈现，就是让大家彻底打破固有的学习模式，进入全新的学习方式。以问题探讨、探索研究和交流小结为学习阶段，在老师的指导下自主活动，亲身体验主动获取知识的过程与乐趣。

2.2 实验原理

我们已经猜测自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，那便可以利用初速度为零的匀加速直线运动的规律来进行探究。探究之前，要对这些规律所对应的实验进行筛选，剔除不合乎情理的、不容易操作的、成功概率极低的，选用器材相对简单并实施起来相对容易的。

2.3 实验方案

（1）如果用速度和时间关系来探究可以怎样做？

如果自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，那么它的加速度一定是个定值。除了（0，0）点，可以用实验仪器测出4组，要么比较是否是个常量，要么用描点法做出图像，看是否是过原点的一条倾斜的直线。

用什么实验仪器来测量速度和相应的时间呢？可以很容易地利用光电门测出小球下落过程中任意4个位置的速度，但从静止开始下落到这一位置所需要的时间，按目前高中生所掌握的光电门工作原理，是不能测出来的；如果用秒表来测，由于精度低，小球下落得又太快，造成误差大，基本不能做到小球、光电门、秒表计时同步的要求，所以，用图像来验证，实验操作性较差，具有一定的局限性，不予采用。

（2）如果用位移和速度关系来探究可以怎样做？

可以把小球的位置（20cm、40cm、60cm、80cm）先固定，如图1所示，只需将4个光电门安装在这4个固定的位置，测出小球下落到这4个固定位置上的速度就可以得到4组比较的比值或者画出图像即可。由于这种方案最容易操作，误差相对较小，所以将采用此方案。

2.4 实验器材

T型固定支架、竖直轨道、1m长刻度尺、DIS（4个光电门、数据采集器、计算机）、电磁继电器、学生电源、质量均匀的小圆柱体。

2.5 实验步骤

（1）将1m长刻度尺固定在轨道上，再将轨道竖直的固定在T型支架上，电磁继电器安装在轨道的最高点，用导线和学生电源相连，将学生电源调到3V。（2）将4个光电门依次固定在竖直轨道的20cm、40cm、60cm、80cm处，连接数据采集器的I、II、III和IV的接口，再连接到计算机上，打开DIS软件中的光电门按钮（注：用刻度尺轻微调节4个光电门的小孔位置，确保小孔位置距离竖直轨道位置大小不变）。（3）闭合电磁继电器开关，将圆柱体吸附在电磁继电器下方。（4）打开DIS通用软件，电脑会自动跳出4个时间空格，点击“开始”，断开电磁继电器的开关，小圆柱体将从静止开始下落，电脑自动记录小球通过4个固定位置的挡光时间。（5）重复实验4次，之后将同一个光电门记录的5组时间进行求平均，再将通过4个光门的平均时间（最后一组）输入事先设计好的Excel表格即可。

2.6 实验结论

自由落体运动是初速度为零，加速度为重力加速度的匀加速直线运动。

2.7 误差分析

实验仪器自身记录误差、光电门没有严格固定在固定位置、空气阻力影响（所以做实验不要开门窗和电扇）、圆柱体上表面没有水平导致下落过程中挡光宽度发生变化、地面不平导致轨道不竖直等。

2.8 实验效果及评价

该实验通过简单的实验仪器组装，有效地验证了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，避免了教材上提供的实验误差大的缺点，成功突破了重难点。在不断改进创新实验的过程中，培养、丰富了创造性思维，提高了创新能力，感悟到创新实验的艰辛与科学家科学严谨的治学态度。

3 探究自制电动机模型

3.1 实验创新原因分析

直流电动机的工作原理主要依靠通电电流在磁场中受到的磁场力而使线圈转动起来，但线圈又是依靠什么装置来实现持续转动的呢？了解电动机的内部结构，知道每一个装置的作用，尤其换向器的作用，是发现线圈持续转动的奥秘。没有换向器，线圈就实现不了持续转动，也就无法将电动机应用到工业等领域，科技的进步也会受到严重阻碍。此实验再次体验电动机内部换向器对电动机的重要作用。

3.2 创新实验

3.2.1 实验器材

如图2所示，一块钕磁铁、一节干电池、一个宽橡皮筋、两个别针、一块砂布、一个漆包线绕成的线框。

3.2.2 实验原理

通电电流在磁场中由于受到磁场力而使线圈转动起来。

3.2.3 实验步骤

（1）将两个别针分别放在干电池正负极两端，用橡皮筋固定；（2）用砂布将线框一端的绝缘漆全部磨掉，另一端磨掉一半，黄色部分是磨掉的地方，黑色部分是没有磨掉的地方；（3）将磨好的线框架在两个别针之间；（4）将钕磁铁放在干电池上，即线框的正下方；（5）轻轻拨动一下线框边缘，线框就会持续转动起来。

3.2.4 实验现象

通电线框因受到磁场力而持续转动起来。讨论：如果将线框两端的绝缘漆全部磨掉，会发生什么现象呢？继续实验：将线框两端的绝缘漆全部磨掉。实验现象：线框左右转动几次，不能沿一个方向持续转动。

3.2.5 实验结论

通电线框每转过180°，换向器就会将线框中的电流换向，使线框左右两条边受到的磁场力永远产生同一个转动方向的效果。因此，換向器是使通电线框持续转动下去的原因。

3.2.6 实验效果及评价

在绝缘漆被全部磨掉和磨掉一半的两次对比实验中，可以切身体会科学家在解决技术难题时候的专研精神和探索精神。

4 结语

当今，高考物理越来越强调学生对物理基本知识根源的了解程度，越来越重视将基本知识和基本技能转化为能力的考查。没有实验作为切入点，只是用“黑板实验”或“多媒体课件”代替探究实验过程，那么我们学生势必对实验过程中可能出现的其他状况一无所知，也就缺失了发现问题并努力寻求解决办法的重要思维过程，也就没有了将知识转化为能力的过程，面对高考，能力又将从何而来？通过创新实验的设计、制作、使用、评价及改进等过程，我们可以领会科学的思想方法，培养基本科学素养，努力提高学生的实践能力和创新能力。

参考文献

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[3] 张大均.教育心理学[M].北京：人民教育出版社，2003：450-488.