【毕业学位论文】（Word原稿）中学物理实验改进创新-优秀教育硕士专业学位论文

- 附件 1： 全国优秀教育硕士专业学位论文 推荐表 单位名称： 西华师范大学 填表日期： 2014 年 4 月 17 日 论文题目 中学物理实验改进创新 作者姓名 论文答辩日期 学科专业方向 蒋玙潞 2013 年 6 月 2 日 学科教学（物理） 攻硕期间及获得硕士学位后一年内获得与硕士学位论文有关的成果 发表学术论文 (题目，刊名 ,时间，社会影响 ) 1、 蒋玙潞 ，曾体贤 J2012. 2、蒋玙潞，曾体贤 方式 J2013. 3. 蒋玙潞 ，曾体贤 J, 实验教学与仪器， 2014. 4、曾体贤， 蒋玙潞 国，P文所产生的实际影响 (对作者工作及所在单位工作 ) 1、在读研究生期间所发表的论文是我最后论文的主要组成板块，是我完成毕业论文的重要铺垫。 2、每篇论文都是一种实验仪器的设计方案，提出的创新之处对中学物理教学有重要意义。 3、论文选择涉及内容为探究式 教学提供了一个新的研究方向，开阔一线教师视野，增强学生的探究能力。 出版专著(名称、出版社、出版时间 ) 获奖项目(名称、等级及时间） 2012 年 9 月获研究生校级三等奖学金 - 中文论文摘要(论文选题的意义 ,论文运用的主要研究方法 ,主要研究成果 ,主要参考文献 ) 物理是一门以实验为基础的科学，物理教学过程与实验过程密切相关，实验的设计、演示、数据处理和得出结论的过程就是学生理解物理概念、领会物理规律的过程。本文提出 4 种实验仪器改进方案：多功能单摆、稳度实验仪、向心力公式探究、验证气 体实验定律。设计和改进的核心思想是将计算机辅助画图计算、传感器、单片机等现代科学技术融入实验仪器，使实验过程更简便，数据处理更快捷，结果更精确。 主要参考文献 1 中华人民共和国教育部普通高中物理课程标准 M北京：人民教育出版社， 2003. 2 廖伯琴，张大昌普通高中物理课程标准解读 M武汉：湖北教育出版社， 2004. 3 阎金铎 . 中学物理新课程教学概论 M. 北京： 北京师范大学出版社 ， 2008. 4 鲁刚 . 物理实验 M. 北京 : 化学工业出版社 ,2007. 5 仲新 元 . 物理实验指导用书 M 苏州大学出版社 ,2008. 专家推荐理由 论文中所提出的多功能单摆，稳度试验仪，向心力公式探究，验证气体实验定律四种实验设计方案新颖，很好地做到了理论与实践相结合，完全可以应用于中学物理教学实践。 同意推荐该论文参加全国优秀专业硕士学位论文评选。 专家签字： 单位推荐意见 学位评定委员会分会主席（签章）： 单位公章 年 月 日 说明：学科专业方向包括教育管理、教育技术、小学教育、学前教育、特殊教育、心理健康教育、科学与技术教育和学科教学，其中学科教学要说明具体方向，如学科教学（数学）。本表可复印、附页。 - 分 类 号： 密 级： 学校代码： 10638 学 号： 311045105005 硕 士 学 位 论 文 中学 物理实验改进创新 多功能单摆，稳度实验仪，探究向心力公式，气体实验定律 姓 名 蒋玙潞 指 导 教 师 曾体贤 副教授 技能指导教师 彭孝勇 高级教师 培 养 单 位 物理与电子信息学院 学 科 专 业 学科教学（物理） 研 究 方 向 中学物理实验仪器 申请学位类别 教育硕士 论文提交日期 二一三 年 四 月 论文答辩日期 二一三 年 六 月 西华师范大学学位评定委员会 四川南充 二一三年六月 - of of A to n of or y n of 2013目 录 - 目 录 摘 要 . I . 1章 前言 . 1 究实验对物理教学的意义 . 1 内物理实验仪器研究情况 . 1 外物理实验仪器研究情况 . 2 论文的主要工作 . 3 第 2章 中学物理教育中实验的基本方式 . 4 证型实验 . 4 究型实验 . 5 放型实验 . 6 种实验的关系 . 7 第 3章 四种实验仪器的改进和创新 . 8 种封闭式多功能的单摆实验仪器设计 . 8 . 13 . 15 . 20 . 21 . 22 第 4章 创新型实验仪器应用于教学实践 . 23 . 23 . 23 . 23 单摆测量重力加速度 . 23 度实验仪应用 . 23 . 24 想 气体状态方程的实验仪应用 . 24 第 5章 展望 . 25 目 录 - 参 考 文 献 . 谢 . i 关于学位论文使用授权的声明 . .于学位论文原创性的声明 . 学期间的科研情况 . 5 摘 要 I 摘 要 物理是一门以实验为基础的科学，物 理教学过程与实验过程密切相关，实验的设计、演示、数据处理和得出结论的过程就是学生理解物理概念、领会物理规律的过程。本文提出 4 种实验仪器改进方案：多功能单摆、稳度实验仪、向心力公式探究、验证气体实验定律。设计和改进的核心思想是将计算机辅助画图计算、传感器、单片机等现代科学技术融入实验仪器，使实验过程更简便，数据处理更快捷，结果更精确。 本文总共分五个章节，第一章分析中学物理实验仪器研究现状、优点与不足之处；第二章介绍验证型实验、探究型实验、开放型实验三种实验的基本情况与联系；第三章提出多功能单摆、稳度实验仪、 向心力公式探究、验证气体实验定律 4 种实验仪器具体改进措施及其实验方案，为本文重点研究内容；第四章将设计方案应用于教学实践，做到理论与实践的结合。第五章是对本研究内容的总结和展望。 关键词： 中学物理；探究教学；实验仪器；改进创新。 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 究实验对物理教学的意义 近年来，随着新课程改革的不断深入，以培养学生创新能力 和实践能力为主的素质教育成为课程改革的基本方向 1，探究也就成为新课程改革实施以来频繁出现在教育中的新兴词汇 2。探究式教学是教育工作者不断研究的重点课题，是发现式教学的重要理念，也是当今国内外使用的主要教学方式。对探究的研究已成为对教育教学研究的重要部分。物理教学作为科学教学的重要分支，贯穿于整个中学教育阶段，将探究的思想融入教学中是物理教学的主要方式，也是决定物理教学发展的重要因素之一 3。物理作为以实验为基础的科学，对实验的探究过程是物理探究式教学中最重要的环节。物理实验的设计，演示，数据处理和 得出结论的过程就是学生理解物理概念，领会物理规律的过程 4。因此探究实验成功与否成为决定物理教学成败的重要因素之一。 中学生正处于感性思维向理性思维过度，抽象概括能力逐步形成的时期，直观教学原则应贯穿于整个中学物理教学中。因此用具体形象演示来进行科学教育更有利于他们对物理知识的掌握，而物理实验的过程正是物理知识最好的演示方式，也是学生最直接获得知识的过程 5。精确度高，操作简单，现象明显的实验可以让学生更好的掌握和理解物理知识。因此中学物理实验仪器的研究对中学物理教学具有重要意义。设计出适合中学物理演示 和探究的新型实验仪器，不仅能丰富课堂教学，更能提高学生的探究意识和创新能力 6。 内物理实验仪器研究情况 随着新课程理念的实施，中国大陆地区的中小学教育逐步将探究融入其中。特别是在课程改革较早，成果较好的上海，广东等地区，对探究性学习和探究式教学的应用已取得较好成绩。不少研究新课程改革的教育教学工作者在理论上强调实验创新的必要性 7，如华东师范大学朱敏教授提出虚拟物理实验与教学结合的重要性；湖南师范大学的彭知文教授提出物理实验创新设计应该便于问题情境创设、为探究活动提供良好平台、让学生获得成功 体验三个理念；广西师范学院王海波老师提出开放物理实验室的想法；福建师范大学黄树清教授提出课外简单实验仪器设计思想。 第 1 章 前言 2 与此同时也有很多一线中学物理教育工作者提出了对中学物理教学实验的改革和创新具体方案 8。如 浙江省温岭市大溪中学 ， 赵加忠 老师对安培力演示实验的改进； 山东诸城市西郊学校 ， 董国荣 老师设计的 简易力的合成演示器 ；黄梅一中张流注老师用可见光演示磁通量，帮助学生形象理解物理概念。 香港从 2009 年开始逐步实施高中科学课程改革 9， 新课程将以培养学生科学探究能力为其重点项目，明晰了进行科学探究的应有技能。 提出三种科学课程模式：传统分科模式，组合模式和综合模式，将物理、化学、生物学科结合起来，统称科学课程。确定 270 小时的探究学习时间，并将探 究学习作为校本评核的重要评估方式。强调从小培养学生的创造能力，对于家庭小发明和科学实验不仅老师可设计完成，学生也可设计创造。例如香港开展的“常识百搭”科学专题探究展览，中小学生科学创造层出不穷。 但国内对中学物理实验创新仍存在以下问题： （ 1）在实验仪器改进提出的方案很多，但应用于实际的方案却较少； （ 2）实际物理实验教学以教师讲解实验为主，实验仪器紧张和教学时间不足是制 约实验教学的主要因素 10； （ 3）教师自制创新型实验仪器积极性不高，教学以传统实验仪器为主； （ 4）对力学实验仪器的改进远多于电磁学、热学和光学。 外物理实验仪器研究情况 从国外的情况来看，美国科学教育注重发现知识的探究过程，强调对知识的应用能力，强调学生应该 通过分析科学探究技能和科学探究的本质的要素，把实验内容与某些要素有机结合进行实验设计 11。从实验仪器的规范程度来看，美国中学物理实验器材没有规范的分类，实验仪器要求学生和教师共同制作，提高学生创新能力。 英国物理教学大部分时间都在实验 中进行，实验过程要求学生自选实验仪器安装、设计实验过程、完成实验、分析数据、得出结论。特别注重学生能力培养和评价目标实现，改进实验仪器在评价目标中有具体说明，促进学生发现物理知识的过程，对教师在实验仪器上的把握提出较高要求。 日本和德国实验创新主要体现在实验数量和类型上，从总数量上看德国中学物理实验个数是中国的 ，其中学生设计实验是中国的 3 倍，而中国的演示第 1 章 前言 3 实验是德国的 ，这说明我国实验以传授物理知识为主，而德国重视操作能力。日本注重学生生存教育，强调以生活用品设计创新型实验，加强科学教学与生活实 际联系，把间接知识转化为学生直接经验，培养学生动手制作能力、科学实验态度和探究科学规律兴趣。 总的来说国外的物理实验器材设计不仅仅是教师的工作，更是学生的学习任务，更有利于培养学生实践能力和创造性思维 12。而对于探究的考查具有具体考评方式，完善的考评制度也是促成探究教育落到实处的有利措施。对于这一点我国对学生探究的考评仍停留在纸笔考核的传统方式上，这不免让教学停留在题海战术上，不利于将学生探究过程落到实处。 论文的主要工作 针对国内探究物理实验教学的不足，本文主要做了以下几个方面的工作： （ 1）总结中学物理教学中各种实验类型的特点。 （ 2）针对实际中学物理实验仪器不足，提出改革方案。 （ 3）提出四种创新型实验设计，其高学生学习物理的兴趣。 （ 4）将四种创新实验应用在物理教学中的具体方案。 第 2 章 中学物理教育中实验的基本方式 4 第 2 章 中学物理教育中实验的基本方式 中学物理教学中对实验的分类有很多种，本文就实验进行方式的不同将实验分为验证型实验、探究型实验和开放型实验三种类型，以下将对三种实验进行具体阐述。 证型实验 证型实验的概念 验证性实验 是指对研究对 象有了一定了解 ， 并形成了一定认识或提出了某种假说 ， 为验证这种认识或假说是否正确而进行的一种实验 13。在中学物理教学中常见的验证型实验有验证力的平行四边形定则、验证牛顿第二定律、验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律、验证单摆周期公式等。 证型实验的目的 验证型实验的目的是在完整的实验框架下验证实验结果，让学生学会从理论到实践研究物理规律的方法 14。在实验过程中学生运用所学知识对实验现象、数据、图像进行分析，验证已学过的相关理论的正确性 ,从而加深对知识的理解 ,培养学生的推理能力、分 析能力 , 训练其实验技能。 证型实验的特点 验证型实验过程受实验步骤驱使，学生在已知实验结果情况下进行实验 15，实验操作过程强调行为与规则的统一。实验设计 通常有这样一些特点：一是注重实验预设，也即实验所应用的仪器、操作步骤、实验结论都是由教材或者教师进行预先设计，学生没有太多自主权，也不需要教师和学生的创造性。 以验证机械能守恒定律为例，实验所用器材打点计时器、只带、重物、铁架台等在教材中以图示的方法展现，具体实验步骤也有说明。 二是重视教师的示范与引导作用，学生通常是按部就班地进行验证实验，严 格按照教师示范步骤和规定的实验程序进行；三是关注学生的求同思维，实验之前要求学生提前预习，使学生对实验的目标、要求，实验得出的数据都有一明确的指向；四是实验成功与否的评判标准唯一，即实验结论与物理理论是否一致，如果有所偏颇，则要求学生从自身查找原因，改进实验，以达到预设效果。 验证型实验常常与教学过程紧密结合，其组织策略主要分为教师演示实验、学生的随堂分组实验两种。演示实验由教师进行实验操作示范，教给学生正确的第 2 章 中学物理教育中实验的基本方式 5 实验方法和过程。不仅包括了仪器使用、实验步骤、操作、读数和记录数据、数据处理、分析和推理，还包括实 验结果的分析等。在分组实验中，要充分发挥了教师的主导作用，先介绍实验目的、方法及注意事项，学生在教师的步步指导下，逐步完成实验，验证科学结论，帮助学生理解物理概念，灵活运用物理知识解决相关问题。 究型实验 究型实验的概念 探究型实验是指实验者在不知道实验结果的前提下，进行实验探索分析，得出结论。以发现科学内容，形成科学概念的认识活动 16。实验方案可由教师提供，也可由学生自己设计完成。中学物理中常见的探究型实验有探究力加速度质量的关系、探究小灯泡的伏安特性曲线、探究全反射产生条件等。 究型实验的目的 探究型实验通过让学生独立完成实验设计、操作、得出结论的过程，让学生学会科学探究的方法，从而培养学生 发现问题的能力、制定计划的能力和解决问题的能力 ，提高 学生的问题意识和创新精神 17。 究型实验的特点 从探究型实验的过程上看，完整的探究实验过程有 观察思考、提出问题、猜想与假设、设计实验、进行实验、 数据处理、 分析论证、得出结论 等过程，但具体的情况要按实际操作设计。例如探究全反射产生条件这一实验中由于探究的结果仅为一种现象，因此就没有数据处理和分析论证环节。在探究型实验 过程中学生处于主体地位，教师应该引导学生进行自主探究、合作探究 18。 从实验方法上看，探究型实验主要有一下一些方法 19 20： 1模型法 ， 即将抽象的物理现象用简单易懂的具体模型表示 ，在实验设计和报告中用模型的方法展示实验现象。 如用太阳系模型代表原子结构，用简单的线条代表杠杆等 。 2控制变量法 ， 自然界发生的各种现象，往往是错综复杂的 ，而 决定某一个现象的产生和变化的因素常常也很多 ， 为了弄清事物变化的原因和规律，必须设法把其中的一个或几个因素用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比较两个变量之间的关系 ，这种研究问题的科学方法就是 “ 控制变量法 ” 。如通过导体的电流和它两端电压 研究电流 的关系时，需第 2 章 中学物理教育中实验的基本方式 6 要保持电压 研究电流 的关系时，需要保持电阻 3转换法 ， 一些看不见，摸不着的物理现象，不好直接认识它， 可 根据它表现出来的看的见、摸的着的现象来间接认识它们。如根据电流的热效应来 探究功能转化 ，根据磁场对磁体有力的作用来 探究磁场强弱等。 4等效法 ， 在研究物理问题时 ，有时为了 让 问题简化，常用一个物理量来代替其他所有物理量，但不会改变物理效果。如用合力替代各个分力，用 总电阻替代各部分电阻，浮力替代液体对物体的各个压力等。 5 类比法 ， 在认识一些物理概念时常将它与生活中熟悉且有共同特点的现象进行类比，以帮助我们理解它。如认识电压时，用水压进行类比 ，认识电流大小时，用水流进行类比 。 6比值法 ，有时由于实验条件限制我们无法得到定量的物理关系时，可以用比值法分析物理量的关系。如探究气体实验定律时，中学器材无法精确测量气体体积 V,压强 P，温度 验者可以利用控制变量法探究其比值关系，得出结论。 放型实验 放型实验概念 开放型实验是指实验室对学生完全开 放，改变过去学生只能定时在实验室的“封闭”实验方法 21。学生可以根据自己的实际情况选择实验时间，根据自己的兴趣选择实验类型。改变了传统实验中学生被动的状态，提高学生实验的积极性和主动性。由于开放型实验对学校设备、教师素质和学生技能要求很高，所以一般中学很难实施，有条件实施的中学常以选修内容实验作为开放型实验要求学生自选完成 22。如探究影响稳度的因素、探究碰撞中的不变量等。 放型实验的目的 开放 型 实验 的目的是在 实验过程中培养学生的观察能力、创新意识、动手能力、分析解决问题的能力，使学生始终 处于主动探索的状态，养成独立思考和积极进取的科学精神，为培养 具有 创新精神、创新思维和实践能力的跨世纪高素质人才服务，是验证 型 、演示 型 实验的 进一步 发展 23。 放型实验的过程 提出实验方案 第 2 章 中学物理教育中实验的基本方式 7 这一过程要求学生通过查阅有关书籍、文献资料，了解和掌握与课题有关的技术状况、发展动态，并在此基础上，根据实验课题要求和实验室条件，提出具体的书面实验方案，包括实验技术路线、实验条件要求、实验计划进度等 24 2实验 方案的讨论与确定 指导教师在对实验方案审议的基础上，与学生开展讨论。由 学生介绍实验方案，指导教师根据可行性、实验室条件等因素对方案进行修正，使之具有可操作性，满足实验目的要求，在尊重学生的创造性思维和基本要求的前提下，确定实验方案。 3实 验 过程 按照确定的实验方案，在实验室由学生自己动手预备必要的实验材料、配置实验装置。开展具体的试验和测试工作。指导教师负责现场指导，解答学生试验中遇到的难题，启发学生深入思考，创造必要的试验条件，如分析条件、必要的设备材料等。 4 实验 数据处理，得出结论 由学生自主对实验结果数据进行分析、总结，教师对结果的分析方法、具体的分析问题进行指导， 使学生分析问题的能力得到锻炼和提高，最 后 按要求编写出实验报告 ，得出结论。 种实验的关系 验证型实验、探究型实验和开放型实验并没有严格的界定，教师可根据教学需要选择实验方法。针对学生不同的基础实施不同的实验方案更有利于学生发展。以牛顿第二定律为例，对于基础知识和操作能力较好的学生可选择探究加速度与力和质量的探究型实验，对于基础水平一般的学生应选择验证牛顿第二定律的验证型实验。不同版本的教材在实验内容和方法上要求也不相同，例如沪科版初中物理教材要求学生探究液体表面张力，而人教版没有此节内容。实 验器材、实验条件与学校硬件设施有很大关系，因此具体实验过程还是要根据实际情况来安排。 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 8 第 3 章 四种实验仪器的改进和创新 种封闭式多功能的单摆实验仪器设计 统实验仪器 现阶段中学物理教学采用的实验仪器如图 1 和图 2 所示。图 1 所示的单摆实验，是机械能守恒的验证实验，具体过程是让两个身高一样的同学站在摆球两端，进行“碰鼻实验”。放开摆球后当摆球上升到另一端的最高点时，将碰到另一个同学的鼻子，从而验证摆球在摆动过程中机械能守恒。但由于空气阻力 的影响，摆球振幅减小，造成小球最高点位置很难判断，实验误差大。图 2 是教材中验证机械能守恒定律的实验仪器 26。纸带与打点计时器的摩擦会影响实验精度，且需要两人以上进行操作。测量当地重力加速度 27，利用图 1 所示单摆仪，用秒表计时，测出单摆周期，算出加速度。但用秒表计时误差大，实验过程复杂不利于用于演示实验，且此实验内容很单一。 基于以上实验的误差大，操作复杂，可见性不高等不足，特提出一种新型多功能单摆实验仪： 增加了真空封闭系统，控制摆球角度的电磁铁，和方便计数的红外线传感器的模块，该仪器既可以 可用于验证 机械能守恒定律，动能定理，以及探究单摆周期与摆长，重力加速度定量关系， 让实验操作简单，数据收集和处理智能化，实验结果更加精确 。 验设计 实验设计如图 3 图 4 所示：图 3 是仪器正面图，图 4 是摆球装置放大图。具体部件功能介绍如下： 图 1：单摆 图 2：机械能守恒定律的实验仪器 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 9 1底座，固定支架； 2红外线传感器，记录摆球通过最低点的速度、时间、次数； 3支架，固定摆线、横杆、角度版； 4横杆，改变摆球通过最低点时的摆长； 5角度版 28，读取摆球偏离角度； 6抽气阀门，定量抽取玻璃罩中的空气；7有机玻璃罩 ，隔绝空气，让实验过程形成封闭系统； 8电磁铁 ,通电后吸引摆球，等效减小重力加速度 g； 9气压表，测量封闭系统中气压； 10摆线； 11电磁铁 ,通电后吸引摆球，调节电流大小可改变摆球偏离角度； 12铁质金属 摆球；13电磁铁 ,通电后吸引摆球，等效于增加重力加速度 g29； 14手动柄，从外部改变玻璃罩内摆线长度； 15带孔针，摆线穿过针孔后固定摆点，便于读取摆长；16刻度尺，读取摆长，其中零刻线与带孔针齐平。 验方案 1实验一：验证机械能守恒和动能定理 （ 1）按图 3，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉 固定好并图上真空脂以密闭实验装置。 （ 2）打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为 10000，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。 （ 3）确定摆线长度 l （ 4）闭合电磁铁的开关，从角度版中读出偏离角度 ，根据摆长可算出小球8 7 6 5 3 1 13 10 11 9 4 12 2 图 3：新型单摆仪器正面图 14 16 15 图 4：摆球装置放大图 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 10 上升高度 ) 断开电磁铁开关让小球自由下落，观察小球摆动的振幅变化，由红外线传感器自动记录小球下落至最低点时的速度。 （ 5）打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为 100010010，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门，重复 4。 （ 6）改变偏离角度 和摆长 l 重复 4、 5。 （ 7）将记录数据输入 过计算机计算比较下降的重力势能 与增加的动能221 k 的大小关系，从而验证机械能守 恒和动能定理。 2实验二：改变摆长下的机械能守恒 （ 1）按图 3，将实验所用的设备放置好，在支架上任意一小孔中插入一根木条，小球下落到最低时摆长会改变。将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭实验装置。 （ 2）打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为 10000，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。 （ 3）确定摆球在左侧摆动时摆线长度 1l ，右侧摆动时摆线长度 2l （ 4）闭合电磁铁开关，从角度 版中读出左侧最大偏离角度 1 ，根据摆长可算出摆球左侧上升高度 )111 断开电磁铁开关让自由下落，观察小球摆动的振幅变化，从角度版中读出右侧最大偏离角度 2 ，根据摆长可算出摆球右侧上升高度 )222 （ 5）打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为 100010010，关闭电动抽气机 开关并放下抽气阀门，重复 4。 （ 6）改变偏离角度 1 ，摆线长度 1l ，木条位置重复 4、 5。 （ 7）将记录数据输入 过计算机计算比较左侧下降的重力势能1与右侧增加的重力势能2p 的大小关系，从而验证摆长改变过程中小球机械能守恒。 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 11 3实验三：用单摆测量重力加速度 （ 1）按图 1，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次 实验装置。 （ 2）打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为 10000，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。 （ 3） 确定摆线长度 l （ 4）闭合电磁铁开关，让小球摆动角度小于 5 度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落，用红外线传感器记录小球通过最低点的时间 1t 、2t 次数 1、 2 n ，可算出单摆周期。根据 2 可得 224T ，由此可算出当地重力加速度。 （ 5） 打开抽气阀门再打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数分别为 100010010，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门，重复 3、 4。 （ 6）改变摆长 l 重复以上步骤。 （ 7） 将记录数据输入 算出重力加速度大小， 进而可研究空 气阻力对单摆周期的影响。 4实验四：探究单摆周期与摆长的关系 （ 1）按图 3，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次实验装置。 （ 2）打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为 10000，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。 （ 3） 确定摆线长度 l （ 4）闭合电磁铁开关，让小球摆动角度小于 5 度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落，用红外线传感器记录小球通过最低点的时间 1t 、2t 次数 1、 2 n ，算出单摆周期。 （ 5）改变摆长 l ，重复 3 （ 6）记录摆长与周期，数据处理。 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 12 5实验五：探究单摆周期与重力加速度的关系 （ 1）按图 3，将实验所用的设备放置好，将螺丝钉固定好并图上真空脂以密闭次实验装置。 （ 2）打开电动抽气机开关，将有机玻璃罩内空气抽出，观察压力表的读数，当压力表的读数为 10000，关闭电动抽气机开关并放下抽气阀门。 （ 3）闭合电磁铁开关，让小球摆动角度小于 5 度，形成单摆。断开电磁铁开关，让小球自由下落振动，用红外线传感器记录小球下落到最低点的时间1t 、 2t 次数 1、 2 n ，算出单摆周期。 （ 4）闭合电磁铁开关（由于电磁铁对小球吸引相当于增加重力加速度），用红外线传感器记录小球此时通过最低点的时间和 次数，将所得单摆周期与未闭合电磁铁时比较。 （ 5）断开电磁铁开关，闭合电磁铁开关（由于电磁铁对小球吸引相当于减小重力加速度），用红外线传感器记录小球此时通过最低点的时间和次数，将所得单摆周期与未闭合电磁铁时比较。 （ 6）改变电磁铁和电磁铁中电流大小，重复步骤 4、 5。 （ 7）记录电磁铁中电流大小关系可得重力加速度与单摆周期的关系。 验方案总结 本实验仪器设计理念紧贴中学物理教学，操作简单，现象明显。其中加入了红外线传感仪和计算机辅助工具等智能化模块，减小实验误差，提高了数据处理精度和速 度。实验设计了抽真空模块，做到让学生在不同空气密度下验证机械能守恒定律。支架上加装横杆，可在最低点改变摆长，进一步验证机械能守恒定律。采用可调节电流大小的电磁铁吸引金属摆球，从外部控制磁力大小。手动柄可在不拆开有机玻璃罩的情况下从外部调节摆线长度，带孔针可以精确摆点，两者结合使用可更好的固定摆长。在摆球上方和下方安置电磁铁，实现控制重力加速度大小改变单摆周期，弥补教材探究实验的不足 30。 此实验设计方案既可作演示实验，又可作学生探究实验，实验操作简单，实验现象容易观察，实验过程智能化，实验结果精确。是适 合中学物理教学的创新型实验仪器。 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 13 验背景 物理是一门以实验为基础的科学，物理实验是物理教学中重要的组成部分。注重科学探究是物理新课程标准理念之一，实验探究作为物理科学探究的主要方式，对学生获得物理知识起到至关重要的作用。新教材增加了不同系列的选修模块，为兴趣不同的学生提供更多选择的机会。 例如平衡稳定性这一课题中提到的稳度 31，即介绍物体的稳定程度。物体处于平衡状态，物体的稳度与重力，重心高度，稳距（重心垂足到某一边界点或线的距离，某方向上最小的稳距叫易倾距） 有关。从影响稳度的单一因素看，重力越大，稳度越大；重心越低，稳度越大；稳距越大，稳度越大 32 33。中学物理教材中未提及稳距这一概念，而是用承重面积来初略描述影响稳度因素之一，并说明承重面积越大，稳度越大。教材通过竖放的砖比平放的砖更容易翻到，直接得出重心越低，承重面积越大的物体稳度越大。然用肉眼很难判断砖翻转时的临界偏转角，导致实验结论缺少科学探究过程。针对稳度，目前还没有合适的配套实验仪器。 本文设计出一种 由轮轴、转动轴、转动板部件组成的 稳度实验仪， 可 探究物体的稳度和破坏平衡稳定被的因素。此实验 仪器制作容易，操作简单，现象明显，不仅可以定性探究影响稳度的单一因素，也可以探究平衡稳定被破坏的原因。 验设计方案 实验设计方案如图 5所示，具体部件功能介绍如下： 1 2 4 3 5 6 图 5 平衡稳定仪正视图 7 8 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 14 1 厚木板，固定配件； 2 滑轮，使细线可平稳拉动； 3 轮轴，固定转动轴使之转动； 4 转动轴，转动木块； 5 木条，防止物体在木块上滑动； 6 转动板，放置物体； 7细线，拉动木板，使之偏转角改变； 8 量角器，测量木板转动角度。 验步骤及其结果分析 1 实验步骤 （ 1）选择底面积相同重心高度不同和重心高度相同底 面积不同的三个的长方体木块，如图 6 所示： 1 和 2 底面积相同，重心高度不同； 1 和 3 重心高度相同，底面积不同。 （ 2）将木块 1 放到仪器木板上，置于木条后面紧靠木条（保证每次放置木块的位置相同）。 （ 3）缓缓拉动细线，使木板倾斜。到木块翻倒时停止，记录木板此时偏转角度，如图 7。 （ 4）用木块 2、 3重复步骤 2、 3。 （ 5）比较三个木块翻倒时木板偏转角度，偏转角度越大的木块其稳度越高。 （ 6）控制质量，接触材料，形状等单一变量，重复以上过程，可以探究其他因素对物体稳度的影响。 （ 7）标记木块的 重锤线可看出：木块翻倒时，也就是平衡稳定性被破坏时，物体重锤线 正好离开接触面的边界 线，如图 8。 图 6 重心 与底面积 不同的木块 1 2 3 图 7 木块翻倒时的图示 图 8 木块翻倒时重锤线的图示 第 3 章 四种实 验仪器的改进和创新 15 2 实验结果 （ 1）通过 1得出：重心高度是影响稳度的因素之一，且重心高度越高的物体稳度越小；承重面积（不是接触面积）是影响稳度的因素之一，且承重面积越大的物体稳度越大。 （ 2） 通过 6可得出：质量是影响稳度的因素之一，且质量越大的物体稳度越大；稳距（主要通过形