低成本高科技物理实验浅析

一、低成本、高科技物理实验简介

1.成本低廉（低耗费），操作简单，运用广泛

低成本实验所需材料可以是各类废旧物品，对原物品的功能不产生损坏，易于获得，操作方便，只需做简单改装即可进行实验；可以广泛应用于各种实验方式（如演示实验、分组实验、研究课题、课外活动等）和各种教学（如分析、综合、示范学习、小组合作学习、做中学等)；可应用于不同的年级水平（不依赖于学生的数学知识和物理背景知识)；可还原学生日常经验中的各种物理现象和一些物理基本原理。

2.作用强大

许多复杂的设备往往基于一些基本的物理学厚理，如安全气囊传感器基于惯性定律、隐形眼镜基于粘滞力、遥控器基于红外辐射的调制等等，通过采用这些技术的简易实验进行教学，能消除学生对现代技术和新材料的困惑并加深理解，使学生清晰理解设备技术的工作原理’有利于激发学生学习兴趣及实际运用物理原理的动机；糊低成本、高科技实验教学，不仅能更好地发展学生的认知，而且能增强学生社会责任感（如讨论手机电磁辐射、新材料对环境的污染等）；不仅能增强学生的合作51能力、计划组织能力和判断能力以及基于对物理理解的批判态度（如通过比较侵入式加热器与微波炉的效率)，而且能促进学生掌握收集和处理信息、素材的方法（如，通过仪器使用说明书和搜索网络)；通过布置实践性作业（如研究课题、小制作、小实验、家庭作业)，还能够培养学生的动手能力和解决问题能力。鉴于此，物理教师应重视低成本、?科技简易实验的开发与制作。为此，物理教师应注意关注学生的生活经验和日常生活实际，努力拓宽实施物理教学的空间，保证实验基于简单组装和低成本材料，并加强自身制作简易实验能力的训练，设法运用新材料（如聚四氟乙烯、尼龙搭扣等）和日常生活中所使用的现代设备（如电动牙刷、视听光盘、手机、安全带传感器等）设计实验。

二、低成本、高科技实验实例

1.新材料实验举例——枯滞力确定

(1)材料：A型物理支架（高50cm)、定滑轮、曲柄轮、测力计、移液管（滴管)、物体（如橡胶球、动物眼球、玻璃板以及各种光滑表面物体)、隐形眼镜、隐形眼镜分离器、钓鱼线（长50cm)、液体（淡水或盐水)。(2)准备：用一条短线将测力计与隐形眼镜分离器连接，隐形眼镜分离器的塑料帽与隐形眼镜或玻璃板固定在一起，隐形眼镜可以在物体上移动。建议用死猪或死牛的眼球（可以从屠宰场获得）作为物体，这样学生可以在现有条件下做实验。由于球的直径与隐形眼镜的直径相近，因此，隐形眼镜将与球可以良好接触。(3)实验步骤A.用移液管将液体滴在眼球上。B.将隐形眼镜放在猪或牛眼球上（以便良好接触），隐形眼镜与眼球之间的粘滞力可以由测力计测出。C.转动曲柄轮竖直向上拉测力计。若眼球与隐形眼镜之间进入空气，粘滞力将会减小，隐形眼镜不再能粘在球上。很明显，对学生来说，当隐形眼镜的内半径与眼球的外半径相等时，粘滞力最大。用其它材料的物体时要求相同。实际的粘滞力受多方面因素的影响，如球与隐形眼镜之间的液体、液体膜的厚度、球的材料、球的半径等。实验测得猪眼球的粘滞力为0.08#，半径相同的塑料球的粘滞力为0.06V;两块玻璃板之间的粘滞力为0.03iV。(4)解释：球与隐形眼镜之间液体膜的厚度对粘滞力的影响很大。因此，在所有实验中，球上滴液量应该相同。这也是我们为什么建议用移液管将水滴在球上的原因。

2.新技术实验举例一模拟安全气囊传感器

(1)材料：压电晶体、玩具车、木板（长1/?，宽0.2m)、灯泡（4厂)、直流放大器、细绳（长1/w、0.2m各一条)、润滑油、导线（长2m和0.5w米的各两根)、米尺、带泡沫的挡板、物体（100g)、钢球（质量100g，半径10/wm)、带有支架的定滑轮。(2)准备：玩具车上有一悬球装置，压电晶体m固定在玩具车上距离钢球5w;w,以便当钢球摆动时能与压电晶体准确撞击。因压电晶体受挤压时产生的电压较低，必须通过直流放大器放大才能点亮灯泡。直流放大器与压电晶体之间用两根2m长的导线连接，灯泡与放大器之间用痛o.2wW导线连接。整快木板被分成O.l/w的间隔，挡板固定在木板末端，以便泡沫吸住玩具车。玩具车与质量为100g的物体通过1/?长的细线相连，细线跨过定滑轮。物体竖直悬挂在桌边。玩具车在物体的牵引下就会加速运动。(3)实验：给车的轮轴上加润滑油，2w长的导线位置固定或拿在手上以防影响玩具车运动的加速度。当玩具车向挡板运动时，悬挂的钢球撞击压电晶体，产生电压，点亮灯泡（灯泡的亮度取决于玩具车撞击挡板时的速度，撞击速度愈大，灯泡的亮度愈亮）。（4)解释：压电晶体受到力?A作用时，电荷累积在压电晶体表面。电荷累积量与压电晶体的形变成正比。在安全气囊传感器里，灯泡的亮度正比于钢球所施加的作用力，进而正比于玩具车撞击时的加速度。在实际中，汽车在水平方向运动的加速度由以变形的压电晶体记录。在新一代安全气囊传感器上，所产生的电压通过模拟数字转化器反馈给计算机。汽车与障碍物撞击时的加速度超过一定值时，由压电晶体产生的电压可使安全气囊在10ms时间内打开，从而防止驾驶员与方向盘之间的剧烈撞击。

3.综合实?举例一”模拟分光计

（1)材料：一张CZ)盘、白炽灯泡、荧光灯、气体发光灯。（2)实验方法：将三种光源置于桌面上，相互间隔约0.1/w,合上?怨氐懔恋婆荨Ｗ雷佑Ρ扯苑考浯盎Х胖茫?员闳松硖逭诘蔡?艄猓?跎僮匀还舛允笛榈挠跋臁＝?D盘水平置于观察者面前（贴标签一面向下)，慢慢倾斜并向光源移动，直至在CZ)盘上呈现出光谱（即七彩光)。用遮光罩遮住其它两个光源，依次观察与单个光源对应的光谱。（3)实验原理：一张O)光盘作为反射式光栅，当光照射到光盘上时，就会产生出反射光谱。比较不同光源所发光的光谱，可以看出白炽灯所发光的光谱是连续光谱，荧光的光谱在各种颜色之间有小小的间隔，而气体发光灯所发光的光谱是不连续线性光谱。

三、可用于简易物理买验的新材料新技术

新材料、新技术在现代生产、生活中随处可见，只要物理教师善于发现，善于组织、引导学生进行开发，同时能很好地将物理学科内容与现代技术结合起来，低成本、高科技物理实验就能发挥更大的作用。为了方便教师开发此类实验，下面就罗列出一些常见的新技术、新材料，以供读者参考。

1.新技术

BS(防抱死系统)、安全气囊、条形码读卡机、照相机（胶片式、数码式）（手动、自动)、照相机闪光灯、视听光盘（CZ)盘)、硬币分拣机、计算机鼠标、圣诞节电子蜡烛、电动牙刷、鞭炮、防伪标志、垃圾分拣机（机械式、电磁式)、厨房技术（天然气灶、电磁灶、微波炉、消毒柜、洗碗机等)、红外运动探测器、电视机（等离子、液晶）、红外遥控器、液晶显示器(LCD)、发光二极管aLED)、高音喇叭（静电的、压电的）、金属探_器、移动电话、打印机和复印机、袖珍计算器、原子钟、签名识别器、烟雾报警器、温度计（电子式、红外辐射式）、触摸式开关、声光控开关、触摸屏等等。

2.新材料

锡或锡箱、防反光涂料、新型建筑和装饰材料、万能胶、陶瓷材料、隐形眼镜、玻璃纤维、眼镜（变色镜、太阳镜)、?温超导材料、隔热玻璃、红外传感芯片、激光笔、液晶（电敏式、热敏式)、魔板、縻方、金属涂层、外包装材料、偏振片、剃须刀刀片、亚光油漆、镜片渡膜、超导材料等等。

四、总结

总之，利用低成本、新材料、新技术资源不仅可以弥补由于实验器材不足所造成的弊端，还可以消除学生对高科技、新材料的神秘感，对培养学生的动手操作能力和物理学习兴趣有重要的作用。物理教师应充分挖掘身边资源，积极引导学生通过实验真正体验、感受物理学的无穷魅力，从而提升学生的科学素养。

作者：袁丽 单位：江苏技术师范学院数理学院