高中物理实验的改进与开发[摘要]：物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理实验在物理教学中有着举足轻重的作用，但在实际教学中，很多传统实验需要我们去改进、去开发。

通过长期的教学实践，笔者认为实验的改进可以从实验方法、实验手段、实验设备三个方面进行；实验的开发可以从解决疑难问题，开发课本实验的空白入手。

[关键词]：物理实验改进开发一、问题提出的背景与意义物理学是一门以实验为基础的自然科学，一部物理学的发展历史，就是一部观察实验、总结规律、应用规律的历史。

实验教学是物理学科教学的重要内容，实验教学既是物理知识教学的基础，也是物理课堂教学中实施素质教育的一种主要渠道和有效手段。

但在实际教学中，实验教学并不乐观。

主要存在以下几个方面的问题：1、仪器陈旧、更新慢、区域性差异大。

大部分学校的实验仪器陈旧，区域性差异很明显。

一般来说较发达地区实验室配备较好，偏远地区的学校配备较差。

像DISLab传感器，一些城市中的学校都已建立了数字化实验室，而下面的学校有些连一套都没有，好一些的有个两三套可以做演示实验。

这既与学校的经费、学校的重视程度有关，也与实验员的差异有关，由于信息的相对闭塞导致很多实验员不了解一些实验的改进、新的仪器、新的材料的使用等因素，导致实验器材的更新较慢，比如传感器这一章的教学，需要的电子元件在装备中心订不到，很多学校到现在也没有相关的电子元件，无法进行演示实验，而较为发达的地区到一些电子市场就可以买到。

2、部分实验需要改进、完善物理书中给出的实验有很大部分实际操作中很难成功，比如牛顿第二定律的演示实验和学生实验，做出来的结果误差很大；比如利用传感器显示电容的充放电，由于电流传感器非常灵敏，很多时候无法成功，原因是电路中受到的干扰较多；比如电场演示库仑定律的实验中，泡沫带电后很快就跑掉。

再如电磁感应中切割磁感线时电流不明显，演示旋转的液体时，液体的转动不明显……。

像这样的一些实验需要我们教师去改进，去完善。

3、很多实验需要老师自己去开发物理是实验的学科，很多时候在新课的教学，习题的讲解，难点的突破时，往往没有现成的实验可用，这就需要我们多思考、多动手，去开发一些实验器材。

在课程标准中也明确的提出了要求：“教师应该积极开发适合教学的实验项目，充分利用实验资源做实验。

鼓励教师将电子计算机等多媒体技术应用在物理实验中，同时提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验。

”综上所述，在物理教学中，对于物理实验的开发和改进是必要的，几年来，笔者一直致力于这方面的探索，本文笔者将就实验的开发和改进谈一谈自己的体会和实践。

二、物理实验的改进对于实验的改进笔者认为可以从实验方法、实验手段、实验设备三个方面进行。

1、对实验方法的改进物理实验中很多实验由于原理上存在系统误差，再加上高中实验用到的器材一般不是很精确，导致实验结果误差很大，甚至有一些无法成功，如果我们能够独辟蹊径，从实验方法上进行改进，会取得较好的效果。

案例：在验证牛顿第二定律的实验中，存在系统误差，利用钩码为小车提供恒力，但由于钩码做加速运动，所以绳中的拉力并不等于钩码的重力。

a=mg/M a真=mg/(m+M) 只有在M>>m时，a≈a真。

但实际实验时，小车的质量200g左右，挂的钩码一般在20g左右，误差很大。

笔者在教学时，舍弃了用老方法，利用将位移传感器的接收器固定在气垫导轨的一端，将位移传感器的发射端固定在小车上，如图1。

当滑块在斜面上滑动时，利用位移传感器测量小车的加速度。

气垫导轨的阻力可忽略，所以重力沿斜面向下的分力mgsinθ就是物体在斜面上受到的合力，如图2。

当探究质量一定，加速度与力的关系时，可以通过改变斜面的倾斜角度来改变物体受到的合力；当探究合力一定时，加速度与质量的关系时，可以通过改变θ和m，但保持mgsin θ的乘积不变，来保持合力不变。

实验数据及处理：质量一定时，a与F的关系：力F一定时，a与m的关系：当质量一定时，得到的a与F的图线的表达式为y=6.0142x+0.0561，可以很准确的说明a与F成正比。

当力一定时，得到的a与1/m的图线的表达式为y=0.1731x+0.543。

得到的图像线性度极好，有较强的说服力。

再如在演示静电屏蔽的实验中，我们经常会发现当带电体接近铁笼时，很容易与铁笼发生放电，原因是由于带负电容易放电，我们可以让带电体带正电，比如用丝绸摩擦过的玻璃棒或者是用泡沫与塑料袋摩擦都可使物体带正点，可以较好的解决这一问题。

2、对实验手段的改进物理是一门实验的学科，“以物论理”是物理学科的特点，然而，传统的物理实验，方法比较陈旧和落后。

测量数据时主要靠我们肉眼进行观察，测实验数据费时又费力。

虽然有直观、形象等特点，但误差较大，实验效果也会大打折扣。

随着现代科技的发展，很多高科技的产品如传感器、计算机软件等，在数据的采集、数据的处理上有着无可比拟的优势，可以利用现代的技术对物理实验手段进行更新，对数据采集和数据处理进行改进和创新。

（1）对数据采集改进案例：探究牛顿第二定律的实验中，利用对比法进行实验时很难成功。

主要的原因是在实验中数据的采集不准确，数据的获得一般是利用夹子夹住绳比较绳的长度或利用类似的装置使小车停止运动以比较小车的位移。

但由于小车的惯性得到的数据误差很大。

为了克服这一缺点，笔者对实验进行了改进：让两辆小车在玻璃上运动，在玻璃上运动并不能消除摩擦，目的是消除两块木板平整程度的差异。

实验中数据的采集时不去干预小车的运动，用数码相机去采集数据。

为了使拍出来数据更清晰，用木板制作一个大的标度牌如图3，通过改进实验很容易成功。

并且由于用到了相机、玻璃等生活中常见的器材学生的学习兴趣、参与热情都很高，教学效果较好。

（2）对数据处理的改进计算机软件在数据分析环节上，利用其强大数据处理能力，可将学生从简单、机械、繁琐的数据处理过程中解脱出来，让他们的时间和精力用在更有创造力的方面。

利用计算机的即时绘图软件，可以在采集数据的同时把我们所需要的物理图线绘制出来，极大的提高了物理实验的效率。

现代物理实验室中已基本采取这样的数据处理手段，科技在发展，研究手段也应该与时俱进。

这就要求实验与现代教育技术手段有机地整合，实现优势互补，相得益彰。

案例1：在研究运动时，频闪照相是我们常用的一种方法，但频闪相机并不普及，很多学校都不能进行这一实验，笔者通过实践，用相机的录像功能和视频分帧软件较好的解决了这一难题。

如在研究平抛运动的教学时，我们用的实验装置一般都是平抛运动演示仪，让两个小球分别作平抛运动和自由落体运动，对比两个小球的运动。

但这一实验效果并不好，主要原因是物体运动时间很短，运动不易观察，如物体从离地1m的高度平抛，所用的时间只有0.45s，所以做这个实验时都是让学生听小球落地的声音，来判断两个小球是否同时落地，由于小球落地后还要反复弹跳，声音较杂，不容易分辨。

用数码相机录下做对比实验，利用分帧软件(如Premiere、Mpeg2Jpeg.exe等)将视频分成每隔一定时间的图片，再利用Photoshop将图片进行整合（如图4），可以看到每个时刻两个小球都等高，竖直方向间距越来越大，清晰直观，有力的证明了平抛运动竖直方向是自由落体运动。

案例2：在分压电路中滑动变阻器如何选择，是教学中的难点。

在实践中，笔者采用了分组计算的方法来获得数据，再利用Excel处理数据绘制图像，取得了较好的效果。

例：从下列器材中选出适当的器材，测量阻值约为30~40Ω的电阻Rx，要求有尽可能高的测量精度，并能测出多组数据。

电流表（A1）量程300mA、内阻10Ω；电流表（A2）量程3A、内阻0.1Ω✧ 电压表（V ） 量程3V 、内阻6k Ω✧ 滑动变阻器（R 1）总阻值2000Ω、电流2A ；滑动变阻器（R 2）阻值5Ω、电流2A ✧ 蓄电池（E ）电动势6V 、内阻不计，电键（S ）一只，导线（X ）若干学生在做这道题时，可以很快的选出电流表选用A 1，和滑动变阻器的分压接法，但对于滑动变阻器却不知道如何选择。

为了能让学生有感性的认识，笔者在课堂上通过描绘分压接法的输出电压与滑片移动的关系图线，来解决这一难点。

具体做法如下：① 滑动变阻器滑片P 置于左端，这时滑动变阻器与灯泡并联的部分长度L ＝0。

电压表的读数为零。

②将滑动变阻器分为等长的八个部分（如图5），将学生分为8组，设滑动变阻器总长为l ，第一组计算当L=l/8时输出的电压U1，第二组计算当L=2l/8时输出的电压U2，第三组计算当L=3l/8时输出的电压U3……，以此类推，每个组算一个数据，这样既锻炼了学生电路的计算，又加深了对分压电路的理解，并且不会耽误太多的时间。

数据如下： 打开Excel ，输入数据，先选定Y 轴的数据，然后选择"自定义"中的“平滑直线图”,生成后，选择下面的“下一步”，在新对话框里，点选顶上的“系列”，再点击下面的“分类X 轴标志”框最右边的那个记号，这时大框消失，出现一个小框，你再在表中选择X 轴数据区域，点击完成即可得到以U 为纵坐标，L 为横坐标的U －L 曲线。

R ＝5ΩL 0 l/8 2l/8 3l/8 4l/8 5l/8 6l/8 7l/8 l U/V 0 0.74 1.47 2.19 2.9 3.64 4.40 5.18 6 R ＝2k Ω L0 l/8 2l/8 3l/8 4l/8 5l/8 6l/8 7l/8 l U 0 0.12 0.14 0.18 0.22 0.29 0.43 0.81 6分析这两条曲线的特点，不难发现选用5Ω的滑动变阻器，随着电阻的变化，分压电路输出的电压变化均匀、线性度好。

而使用2kΩ的滑动变阻器，输出电压的变化不均匀，开始变化很小，后来变化很大，不利用操作。

最后可以再通过计算10Ω和100Ω的滑动变阻器的输出电压的曲线，从而让学生体会选择比待测电阻小一些的滑动变阻器输出的电压线性度好，利于操作。

有效的解决了这一教学难点。

3、对实验设备的改进对于疑难实验，教师应根据自己在教学实践中的体验，深入研究教材中某些实验的不足和缺陷为切入点，将实验的缺点一一列举出来，然后根据实验器材的物理和化学性能，从外形、结构、材料等角度提出改进的方法，如静电实验中，实验仪器经常会发生带的电荷容易跑掉，导致实验效果不好，甚至无法实验，比如在“研究影响平行板电容器电容大小的因素”的演示实验中，实验难以成功主要是这个原因。

静电计带的电荷容易跑掉主要是因为静电计的金属球与外壳间、外壳与桌面间的绝缘性不好，如何将金属球与外壳间再加上层塑料薄膜或者是泡沫，实验时将静电计放在泡沫板上，可以有效的解决这一问题。

库仑定律一节中“探究影响电荷间相互作用力的因素”这一实验，用棉线进行实验无法成功，主要是由于棉线上有很多的绒毛，由于尖端放电现象导致带的电荷容易跑掉，实验中可以用泡沫做成小球，用光滑的细线（如用丝线或者鱼线）将其悬挂，效果很明显。