低成本实验在物理教学中的应用研究——以人教版高中物理必修一为例

沈光先，田 宽，冯 靓，罗文华

（贵州师范大学 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550001）

高中物理是物理课堂教学中非常重要的一部分。但由于许多实验器材体积庞大不方便携带实验器材比较昂贵、学校条件比较差实验资源不足，导致在教学过程中不能满足探究性课堂教学的要求。对于很多实验，教师都是在PPT 上展示实验或者是讲实验，学生只是听实验，这就导致物理课堂教学缺乏探究性，使学生对物理知识理解不透彻，从而产生一种物理难学的心理。在课堂教学中适当指导学生用生活中常见的材料去做一些低成本物理实验，能加深学生对物理知识的理解与运用。“所谓低成本实验,是指用日常生活中容易得到的、便宜的甚至是废弃的材料，自己加工成结构比较简单的实验器材、教具和科技作品，这类物品具有取材简单、制作便捷、能启发学生思维等特点”[1]。低成本物理实验的开发既能培养学生的动手能力和科学探究能力，也能拓展学生的物理思维和培养学生的创新能力。

以人教版高中物理必修一为例，用以废弃的饮料瓶为实验器材进行低成本物理实验的开发，主要是因为：首先，用饮料瓶做实验可以实现资源循环利用；其次，饮料瓶在生活中取材简单、易加工，在一些物理实验中是不可多得的实验材料。论文将以饮料瓶为实验器材，设计、制作几个在物理课堂教学中的低成本实验。

1 低成本物理实验在物理教学中的作用

1.1 激发学生学习物理的兴趣

兴趣是学生学习物理最好的老师，在课堂教学中，一旦激发学生的学习兴趣，其思维就会极为活跃，产生难以想象的创造力。教师根据教材和学生的心理特点为学生创设一定的物理情景，激发学生学习物理的兴趣。低成本实验是用与生活息息相关的物品来进行物理实验，能有效提高学生学习的兴趣、吸引学生的注意力、使学生产生好奇心，从而激发学生的学习热情。

1.2 打造高效率的物理课堂

在中学物理课堂教学中，一堂好课的关键之一是实验的设计，如果大部分实验都能让学生自己动手去操作，学生在整个过程中有切身的感受和体验，将有利于学生对知识的理解和应用，从而打造高效率的物理课堂。

1.3 培养学生节俭环保意识

“课堂教学资源的开发讲的是经济性原则，物理教学资源的开发和利用要尽可能减少人力、物力和财力。”[2]开发低成本物理实验，既能进行实验创新，又能培养学生的科学探究能力。饮料瓶、易拉罐等都是废弃生活物品，利用其进行物理实验的开发，能变废为宝，让资源进行循环利用，同时渗透了环保意识。

1.4 体现物理与生活的联系

物理课程标准提出“从生活走向物理，从物理走向社会”[3]，有目的地利用低成本材料的物理属性，经过创新和加工，进而呈现物理现象，探索物理规律，这样的实验贴近学生的生活实际，使学生感受到亲切和熟悉，能够体现物理与生活和社会的有机联系，对培养创新型人才，促进学生科学素养的发展具有一定的意义。

2 低成本物理实验的开发原则和设计过程

2.1 低成本物理实验的开发原则

开发低成本物理实验，应遵循以下原则：

（1）直观、明显性原则。直观性就是从实验中可以直接观察到物理过程，无需通过复杂的推理便能直接揭露其物理本质。明显性就是指实验的效果明显，所有学生都能清楚地看到实验现象。

（2）安全性原则。安全性是低成本实验成功的重要保证，在演示低成本实验时，课前要做充分的准备，熟悉器材，熟练操作，排除干扰因素，要充分设想可能出现的意外，杜绝安全事故发生。

（3）科学性原则。开发低成本物理实验，首先要清楚实验中包含的物理原理，再根据物理原理去进行实验的开发和设计。实验产生误差不可避免，但不能出现科学性错误。

（4）简单、可靠性原则。在保证科学性的前提下，做到简单、可靠，所用仪器和操作步骤尽量简洁明了。

（5）针对性原则。低成本物理实验的开发与利用必须在明确教学目标的前提下，认真分析与物理教学目标相关的一些低成本材料，认识掌握这些材料的物理性质和特点。针对学生的年龄特点和认知水平，进行低成本物理实验的开发，满足学生的发展需求。

（6）启发性原则。低成本物理实验是利用生活中常见的材料为实验器材，把抽象的物理原理通过实验变为形象的物理现象，最终目的是启发学生的思维，使学生更好地认识其物理本质。当所出现的物理现象出乎学生意料时，认知冲突将转化为思维动力。

2.2 低成本物理实验的设计过程

低成本材料除了有其生活用途外，都具有一定的物理特征，如导电性、导热性、弹性、外观形状、特有功能等。全面分析这些材料的物理特性，可以有效的利用其物理特性来设计实验方案。其设计过程如图1 所示。

图 1 低成本物理实验设计过程

3 低成本实验在物理教学中的应用示例

3.1 探究“不均匀物体的重心”（能侧立的易拉罐）

在重心的新课教学中，大多数老师采用悬挂法来探究不均匀物体的重心。这样的常规探究教学学生兴趣不大，因此设计的实验要能更好地激发学生的学习兴趣，打破学生的认知。用生活中常见的易拉罐和水进行实验，按照日常的生活经验，空的易拉罐是不可能侧立在桌子上，往空的易拉罐注入适量的水，然后侧立在桌子上，侧立的易拉罐能在桌子上保持平衡，而不会倒下。由此让学生产生好奇心，激发学生的学习兴趣。

3.1.1 实验现象描述

如图2 所示，空的易拉罐能正常的静止在桌面上，此时易拉罐处于平衡状态。如图3 所示空的易拉罐不能正常的侧立在桌面上，此时易拉罐会往一边倒，不能处于平衡状态。如图4 所示装有一些水的易拉罐能侧立在桌面上，此时易拉罐处于平衡状态。

图 2 空易拉罐 正常放置

图 3 空的易拉罐 侧立放置

图 4 装水的易拉罐 侧立放置

3.1.2 实验现象解释

如图2 所示，空的易拉罐放在桌子上时易拉罐的重心在易拉罐的几何中心。此时桌面对易拉罐的支持力与它所受的重力是一对平衡力，满足二力平衡的条件，因此易拉罐处于平衡状态。如图3 所示，把空的易拉罐侧立在桌子上,此时易拉罐的重心不在其几何中心。此时桌面对它的支持力和它所受的重力不在一条直线上，易拉罐就会失去平衡从而向一边倾倒。如图4 所示，往易拉罐里面加入一定量的水，就会导致整个易拉罐体系变成一个质量分布不均匀的体系。把它侧立起来，通过注入水的质量来改变体系重心的位置，将重心的位置调节至与易拉罐底部接触的支持力方向的位置，使其满足二力平衡条件，从而实现侧立的易拉罐不倒，此时易拉罐处于平衡状态，静止在桌面上。

3.1.3 实验特点与作用

用易拉罐和水实验，实验器材易取，实验成本低，还能实现资源循环利用。通过简单的实验装置冲突了学生的生活经验，打破了学生的前认知，由此激发了学生的探究欲望和求知欲望。

3.1.4 教学建议

在进行不均匀物体重心的教学时，在学生不知情的情况下，老师把易拉罐侧立在桌面上，学生必然会感到惊讶，看到的现象与日常生活经验产生冲突，从而会引发学生的思考：易拉罐为什么能侧立在桌面上？学生产生好奇心，就有动手操作的欲望，就想自己动手把易拉罐侧立起来。但是学生盲目动手很难把易拉罐侧立起来，学生就会去思考，为什么老师能把它侧立起来而他不能？这时老师再适当引导，学生就会知道易拉罐能侧立起来完全是水的“功劳”，是水改变了易拉罐的质量分布，从而导致体系的重心发生变化，调节水的质量和倾斜的角度，使其满足物体的平衡条件，易拉罐就能侧立不倒。此时通过分组实验的形式让学生探究到底要多少水才能让易拉罐侧立在桌面上，以此来培养学生的科学探究能力。

3.2 观察“失重现象”

“失重”的教学课堂上大多采用看图进行理论分析的方法教学。为了让学生更好的理解失重现象，加深学生对失重知识的理解，可以用废弃矿泉水瓶和水即可进行实验演示。取一个废弃的矿泉水瓶在底部扎两个小孔，用细线拴住矿泉水瓶的瓶颈，矿泉水瓶里面装水且静止的时候，会发现水从小孔里面流出；释放矿泉水瓶让其自由下落，在下落的过程中发现水不会从小孔流出，即演示了水的失重现象。

3.2.1 实验现象描述

如图5 所示，矿泉水瓶静止在空中时，水从底部的两个小孔流出。如图6 所示当矿泉水瓶自由下落时，底端的两个小孔没有水流出。

图 5 体系处于静止状态时

图 6 体系自由下落时

3.2.2 实验现象解释

如图5 所示，瓶子静止时，此时水对瓶壁有压力，小孔内外压强不相等，所以水从小孔流出。如图6 所示，当瓶子自由下落时，瓶子和水受重力作用加速下落，瓶和水都处于完全失重的状态，此时水对瓶壁的压力为零，瓶内水层之间也没有相互挤压力，小孔的内外压强都等于大气压强，故水不会从小孔里流出。

3.2.3 实验的特点与作用

本实验制作简单、方便携带、实验现象直观、趣味性强，但是实验持续时间比较短，可以通过多次重复实验以便学生能清楚观察到实验现象。加深学生对知识的理解。同时，通过实验探究激发学生的求知欲，变“学会”为“会学”，体现学生在课堂教学的主体地位，培养学生的观察能力和思维能力。

3.2.4 教学建议

在进行课堂教学时，如果单纯进行理论讲解很难激发学生的求知欲。用矿泉水瓶进行实验能增加学习的趣味性。实验操作简单，在教学时直接演示，让学生一下处于“受激”状态，激发学生的好奇心。对教师提出的问题：“为什么在下落过程中水不会从小孔里流出？”学生就会去思考，此时再引导学生对整个体系进行分析并动手操作，培养学生的动手能力，提高学生的求知欲望。

3.3 验证“惯性的大小与质量的关系”

在牛顿第一定律教学中，探究惯性的大小与什么因素有关是本节的教学重点。“经实验研究和观察表明质量是唯一描述惯性的物理量”[4]，论文以矿泉水瓶、水、小车为实验器材来探究惯性的大小与质量的关系，把装有水的矿泉水瓶固定在小车上会发现矿泉水瓶里有一个气泡，此时轻轻用力向前推小车，观察实验现象，再进行总结分析，得出结果。

3.3.1 实验现象描述

如图7 所示，取一个矿泉水瓶，在矿泉水瓶里装满清水。把矿泉水瓶侧着放在桌面上，里面会有一个气泡，用手轻轻的向前推动小车，在刚开始的一瞬间发现气泡相对于瓶子也会向前运动。

图 7 装置处于静止状态时

3.3.2 实验现象解释

如图7 所示整个体系原来的状态是静止状态，此时轻轻向前推小车，在推小车的瞬间，瓶子中的水由于要保持原来的静止状态，就会相对于瓶向后运动，在这一瞬间观察到小气泡相对于瓶子向前运动。也就是说水抵抗这种运动状态改变的“本领”要大些，即水的惯性要大。气泡抵抗这种运动状态改变的“本领”要小些，即气泡的惯性要小。所以物体的质量越大，抵抗运动状态改变的本领就越大，即惯性就越大；质量越小，抵抗运动状态改变的本领就越大，即惯性越小。

3.3.3 实验的特点与作用

实验的器材来源于生活，用物理实验反应生活中的一些现象，体现了物理与生活的有机联系。本实验的现象十分明显，通过直接观察得出结论，在课堂上就能当场完成。体现了实验的透明性和便捷性。通过这种随堂小实验可以有效地激发学生的学习兴趣，为物理课堂增加了趣味性。

3.3.4 教学建议

实验比较简单，引导学生大胆的质疑，并利用实验来证明结论。首先要引导学生明确实验目的，验证质量是描述惯性的物理量及它们之间的关系；其次，要让学生理解惯性的含义；最后学生在老师的帮助下得出实验方案。教师要引导学生对实验现象进行分析，不要直接把结果告诉学生，要培养学生的自主归纳和总结能力，让学生经历科学探究。通过营造高效有趣的课堂氛围，引导学生思考，让学生开心愉快地学习知识。

3.4 体验“微小形变实验”

在弹力的教学中，微小形变实验是教学重点。教材的“演示实验”中是采用光学放大法来研究微小形变的，论文则利用扁形的玻璃瓶来做实验，这样更能激发学生的好奇心。实验把细玻璃管插入装有红墨水的扁形的玻璃瓶中，用力挤压玻璃瓶会看到细玻璃管中的液柱上升或者下降，依此来判断物体是否发生形变。

3.4.1 实验现象描述

图8 是仪器组装好没有压缩时的状态；图9 是压缩短轴方向时的实验现象，此时液柱上升；图10是压缩长轴方向时的实验现象，此时液柱下降。

3.4.2 实验现象解释

如图8 所示，扁形玻璃瓶的底部横截面是一个椭圆，在没有压缩时，细玻璃管中有一段液柱。如图11 所示：挤压椭圆短轴方向，在压缩过程中椭圆的周长基本保持不变，短轴变短，长轴变长，根据椭圆的数学性质此时椭圆的面积变小，在高度保持不变的情况下，扁形瓶的容积就会变小，所以细玻璃管中的液柱就会上升，实验现象如图9 所示；按图12 所示挤压椭圆长轴方向，此时短轴变长，长轴变短，根据椭圆的数学性质椭圆的面积将变大，故扁形瓶的容积将变大，所以细玻璃管中的液柱就会下降，实验现象如图10 所示。通过细玻璃管中液柱的升降来判断扁形玻璃瓶是否发生形变，从而演示了微小形变。

图8 没有压缩时

图9 压缩短轴方向

图10 压缩长轴方向

图 11 压缩短轴方向

图 12 压缩长轴方向

3.4.3 实验的特点与作用

本实验的设计从学生的心理特点、知识层次、认知结构等出发，层层深入，为学生解答疑问，对学生在实验观察和思维上的种种困惑，通过学生在生活中经常接触到的物体来为学生解答疑惑，使整个教学及实验直观简明，形象生动。

3.4.4 教学建议

在弹力一节的教学中微小形变的演示是教学必不可缺的环节，要让学生知道在力的作用下任何物体都能发生形变，同时，还可以生活中的小日常为例，如挤牙膏。牙膏的横截面也可以近似看作是一个椭圆。学生都有挤牙膏的经验，知道挤牙膏是挤压短轴，而牙膏挤多了挤压长轴牙膏就会缩回去。老师也可用牙膏让学生现场演示，当学生看到这个熟悉的现象之后，就会加深对微小形变的理解。

4 结论

在日常生活中处处有物理现象，只要善于观察，勇于实践，引导学生用身边常见的物体来做物理小实验，让学生将理论的物理知识应用到实际生活中去，真正的体现课程标准提出的“从生活走向物理，从物理走向社会”[3]的理念。使物理实验融入学生生活。

论文列举的几个实验，只是低成本物理实验中的一小部分。“低成本物理实验的开发，虽然其经济成本低，但运用的技术不低，体现的价值不低。”[5]低成本物理实验应用到物理课堂教学中，会使物理课堂教学达到很好的效果。