高中物理自制特色教具案例

▶4.高中物理自制特色教具案例

方成亚　整理

案例一　“电磁感应规律演示器”自制及应用技术资料

一、教具或名称

电磁感应规律演示器（系列）。

二、教具装置图

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

三、仪器的特点及用途

磁学是高中物理教学的一个难点。原因并不在于磁现象有多么抽象，多么难以把握，而在于缺少“显示和测量与磁现象相关物理量”的工具。本实验装置将传统实验与数字化信息系统（即DIS）相结合，较直观明了地将感应电流的有无、大小、方向通过发光二极管的亮度、颜色显示出来；通过灵敏电流计指针的偏转大小、偏转方向显示出来；通过DIS的各种输出方式显示出来。本装置具有原理清晰、取材简单、形象直观、经久耐用等特点。是一种既可以定性分析又可以定量研究、适用广泛的磁学教具和学具。

四、制作材料

直径3.5 cm，长40 cm的铜管三根，直径3.5 cm，长2.5m的塑料管，直径0.35mm的漆包线5 kg，直径0.5mm的裸铜线1 kg，双色发光二极管10只，不锈钢斜面跑道1.8m，不锈钢小车1辆，圆柱形、方形磁铁各3～4个，DIS实验系统的软件和硬件等。

五、制作方法

1.裸导线管的制作（图19）

（1）将直径为0.5mm的裸铜线密绕在塑料管上；

（2）用有机玻璃将铜线圈的两端固定即完成裸导线管的制作。

图19

2.二极管显示感应电流装置的制作（图20）

（1）将直径为0.35mm的漆包线密绕在铜管上；（2）将该线圈管竖直地支在水平底座上；

（3）把双色发光二极管并接在线圈管的一侧；

（4）调试改进即完成该装置的制作。

图20

图21

3.用灵敏电流计显示感应电流装置的制作（图21）

（1）将直径为0.35mm的漆包线密绕在铜管上；

（2）将该线圈管竖直地支在水平底座上，并把漆包线两端固定于底座上；

（3）将灵敏电流计接在线圈的两个接线柱上；

（4）调试改进即完成该演示仪的制作。

4.电磁阻尼制动装置的制作（图22）

（1）用不锈钢板制作一斜面轨道；

（2）在斜面轨道的水平部位用0.35 mm漆包线绕制两个约有700匝的口字形制动门；

（3）将轨道固定于水平支架上，将方形磁铁固定在小车上；

（4）让小车从斜面顶端滑下，观察漆包线闭合与不闭合时小车的运行情况，调试改进即完成制作。

图22

5.手摇节能手电筒的制作（图23）

（1）取直径2 cm长7 cm的塑料管，将漆包线集中绕在管的中间部位；

（2）将一个双色发光二极管串接在线圈上并固定在管的一端；

（3）将圆柱形磁铁放入管中，两端各放一个小弹簧，用塑料片和强力胶将管两端封住即可。

图23

图24

6.获得匀速运动装置的制作（图24）

（1）截取50 cm长铜管C，固定于底座上；

（2）将长55 cm空心铝管B焊接在强磁铁E上；

（3）将宽3mm的两挡光轻铝片焊接在B上，两片间距为3 cm左右；

（4）将光电门固定在铁架杆上，与DIS相连，即完成该装置的制作和连接。

六、使用方法

图25

图26

图27

图28

案例二　“安培力问题探索装置”的制作及应用技术资料

器材：强磁铁若干个，3 X 60 cm扁平铁条两根，75 X 5 X 2 cm木条两根，10 X 7 X 5 cm方木块一块，120 X 10 X 2 cm方木板一块，12 V蓄电池一只，电键、导线，粗硬铜丝2m，20 X 2.5 cm空心铝管一段。

制作方法：

（1）在75 X 5 X 2 cm的长方木条上，每隔5 cm打一个直径为2.5 cm的小孔，放进一块强磁铁，强磁铁的一面吸有扁平的铁条，然后用黏胶纸包住，一根为红色，另一根为蓝色。

（2）将由（1）制成的两根配件，用方木块和长螺栓将其连接在一起，形成一个又大又长的蹄形磁铁（图29）。

图29　蹄形磁铁

图30　滚动跑道架

（3）在长120 X10 X2 cm的方木板靠近边沿的地方各打两个小孔，然后将粗的硬铜丝弯成两根两头有一小段长6 cm左右直角弯曲的配件，钉入小孔中，使铜丝的高度为5 cm作为空心铝管滚动的跑道（图30）。

使用方法：将蓄电池、电键、电线与作为空心铝管通电时滚动的跑道的硬铜丝相连接，将由（2）制成的蹄形磁铁放入两根跑道内，跑道上放置空心铝管，合上电键，就可看到铝管滚动了。将电极交换一下，那么铝管会朝另一个方向滚动，就可以演示安培力及安培力的方向与电流方向之间的关系（图4-31）。

图31

案例三　“‘左手定则’万向旋转示教器”制作技术资料

电流方向、磁感线方向、安培力方向三者之中如有两个方向标明就能判别第三个物理因素的方向，但是学生难以判别，为了便于教学，笔者设计并制作了电流、磁感线、安培力方向判别示教器，现介绍如下：

1.原材料

宽度为2 cm的扁平的金属条一根，铝帽钉，螺丝，螺母若干。

2.制作方法

（1）取三段金属条，其中两根长度为35 cm，一根为20 cm。在每一根的一个顶端用钢锯锯开一条深1 cm的小槽，嵌进一块用很薄的金属片剪成的三角形，用黏结剂黏结，用以作为安培力、磁感线、电流方向的指示标记。然后在每根金属条上喷涂上红、黄、蓝三种不同的颜色。以红色带有箭头的长金属条作为磁感线方向。以黄色带有箭头的长金属条作为电流方向。因此，在此金属条上画一根虚线，以表示电流。以蓝色带有箭头的短金属条作为安培力的方向（图32）。

（2）截取一小段金属片，长4 cm，其中一半打四个小孔，用铝帽钉与那段短金属条平的那头相连接。另一半挫成一个略带圆弧形，中间打一个小孔。

（3）再截取一段4 cm长金属条，以2 cm处为界弯成一个直角，每一个面上打一个小孔。

（4）取一段2 cm长金属条，在中间打一个小孔，然后将由上述（2）和（3）制作的两只配件与由（4）制作的配件用小螺丝和螺母装配在一起，那么短金属条就成了一个可以在180°内任意旋转的安培力方向指标器。

（5）在另外两只长金属条的每只扁平的顶端，各打一个小孔，然后用小螺丝和螺母将由（4）装配好的安培力方向指示器装配在一起，就成了一个电流、磁力线、安培力方向判别示教三脚架了。

3.操作方法

由于用于表示电流方向和磁力线方向的两条长金属片可以在一个平面内以任意角度自由旋转，因此可以表示在一个平面内任意方向的电流方向和磁力线方向。用于表示安培力方向的那根短的金属条，由于配上了万向结，因此可以任意角度立体地与两个长金属条相交组成的平面相交，于是能表示在任何情况下安培力、电流、磁感线三个方向，用于教学是一件便于携带，便于操作的优秀自制教具（图33）。

图32

图33

案例四　“大炮反冲演示器”的制作技术资料

取一根质地坚硬一头封口另一头开口的空心管子，通过一根被弯曲的质地坚硬的细空心管子与一煤气阀门开关相联，并且相连。在细的空心管子内再塞一根微孔细的管子，此空心管子一头是接通煤气阀门开关，另一头与一段一头封口，另一头开口的较粗的空心管子相连，并且相通。将上述相通的空心管子，那连有煤气开关的那端与一只能容纳高压空气的气罐相连通，并能运用煤气开关随时进行开与关。在这高压空气罐的边上装有一只自行车轮胎的充气装置。将此装置下面安装四只重量很轻的轮子，便制成了反冲小车演示器，可以演示反冲与质量有关，与加速度有关（图34）。

图34

此教具的使用方法十分简单，先将煤气开关处于“关”的状态，然后用自行车的打气筒夹着高压空气罐上的自行车的充气装置打气30下左右，这时空气高压罐处于高压状态。在反冲小车的作为反冲口的空心管子的前端塞上橡皮塞然后打开煤气阀门开关，被压缩在高压空气罐中的高压空气就会通过开关，经过细如头发丝的极细的通道，缓缓地进入反冲管子，几秒钟后，就可将塞子“乒”地一声冲出数米之远，随之小车马上倒退几十厘米之远。塞在反冲管道口的橡皮塞小，小车反冲距离就短；如橡皮塞大，小车反冲距离就大。如塞在反冲管道口的橡皮塞松，橡皮塞冲出的距离短，也就是橡皮塞冲出时的加速度小，那么小车反冲距离短。如橡皮塞塞得紧，橡皮塞就会被高压空气冲出的距离远，也就是橡皮塞冲出时的加速度大，那么小车反冲距离就远。

案例五　“空气反冲、水反冲演示器”制作技术资料

1.空气反冲演示器

此教具利用吸尘器的气泵作为空气的气源，源源不断地向教具提供强大的风源来演示空气的反冲现象。教具的制作比较复杂，这里只作简要的叙述。制作的原材料是轴承，细的空心铜管，将空心铜管作90°的弯曲后，用焊锡焊在自行车气门芯的装置上，再将气门芯设法装置在轴承上，使作为空气喷口的细铜管能够在轴承内前后自如地旋转，再将此轴承装入挖有空心的橡皮塞内，装在一个空心的装有阀门开关的塑料管中，塑料管的下端开口与吸尘器的气泵相连通。使用时打开电源开关，让气泵源源不断地向教具充气，打开阀门开关，就可以看到被弯成90°的细铜管，随着空气的外喷而发生快速的旋转，用以演示空气的反冲（图35）。

图35

2.水反冲演示器

水反冲演示器的制作比较复杂，但是其制作的基本原理同空气反冲的制作原理是一样的，主要的原材料也是细铜管和轴承，就是变空气为清水，就可以演示。使用方法也同空气反冲演示器相同（图36）。

图36

3.学具反冲小车的制作及使用方法

取一只中号的氢气泡，在氢气泡的充气的入口处塞进一只大小合适的橡皮塞，橡皮塞的圆心处打一个小孔，在氢气泡的外面，用线或者其他合适的东西将橡皮塞与氢气泡扎紧。取一段质地较坚硬而重量较轻巧的铝片或者其他质地坚硬，但重量较轻的塑料片作为小车的车身，在其前端和后部装上四只由质地坚硬的重量很轻的物质做成的小轮子，就制成了车身。在车身的中间，竖直装一片细长的铝条或塑料片，上端装一个轻巧的小夹子，就制成了车身，然后用小夹子夹着氢气泡就制成了一只简单易制，操作容易，而又效果明显的可供学生演示的反冲小车了（图37）。

图37

图38

此学具的使用方法十分简单，将氢气泡用脚踏的氢气泡打气筒充气，然后夹在小车上，放开手，让气从氢气泡内喷出来，就可以看到小车会朝喷气的方向相反的方向运动，运动的距离可达1～4m（由氢气泡充气的大小决定）。气充得越多则距离越远。

如在小车内增加或减少砝码，就可演示小车被反冲的距离随小车质量的增大而减小，随小车质量的减小而反冲距离增大。

如增加或减小氢气泡内充气量，可见到如氢气泡充气多，氢气泡体积增大，那么放开手后，喷气速度大，那么小车反冲的速度也越大，如氢气泡充气少，氢气泡体积小，那么放开手后，喷气的速度小，那么小车被反冲的速度也小，因此可演示，反冲与喷射物的速度关系，速度越大，那么小车反冲的速度也就越大，反之则小车反冲的速度也就越小（图38）。

案例六　圆周运动速度方向演示实验改进技术资料

原方法是用陀螺，在上面滴几滴墨水，让陀螺转动，让墨水在离心力的作用下向四周抛洒，在白纸上留下一条条细长的墨水的痕迹来演示，经操作，发现有几点不足：

（1）可见度小；

（2）切线方向凭肉眼判断；

（3）墨水滴不是真正在圆周上（图39）。

为此，本实验稍作改动，制成投影教具，材料和构造如图40所示，一看就明白。

图39

图40

下面对图40中无法显示的问题作几点说明：

（1）图40中4圆和切线用记号笔一定要画在玻璃的底面，一劳永逸，不会擦去。圆的直径7.5 cm，切线约15条。

（2）图40中5的空心细管，可以用废圆珠笔芯作材料，下端开口，与图40中2的圆片底面相平，用强力胶粘牢。上端用一小截外径稍粗于空心细管内径的金属棒塞紧，被塞入的那端一定要挫平，如图40中1所示。

（3）图40中2圆片一定要与画在玻璃底面的圆周同样大小，沿圆周均匀打16个深0.5 cm，内径为0.3 cm小孔，内塞棉花或海绵，墨水滴在孔内。

（4）图40中3硬金属丝的粗细以恰塞入空心细管而又能自由转动为最好，上端挫成针尖形，长短以圆片旋转时恰不碰到玻璃为最好，约相距0.5 cm。此教具可边演示边投影。撒在玻璃上的痕迹细如小楷毛笔所描，长短在0.5 cm至3 cm之间，均匀地撒落于圆周的四面所有玻璃面上：凡落在切线上线条与切线相吻合，凡偏离切线的，线条与切线几乎平行，通过幻灯，映入银幕，操作简易，效果极佳，如图41所示。

图41

案例七　《磁学规律演示器组合》技术资料

一、教具装置图（如图42所示）

图42　实物照片

二、仪器或特点及用途

1.特点

此教具可以用来演示（探索）磁学中的多个规律，它结构简单，现象明显，学习兴趣高，解释磁学问题方便，能较好地提高教学效果。

2.用途

（1）可用于探索或演示“磁生电（即电磁感应）”的规律；

（2）可用于探索或演示磁场力（安培力）F的方向与磁感强度B、电流I方向的关系；

（3）可方便地用于演示或解释电磁炮的原理。

三、使用方法

1.“磁生电（即电磁感应）规律”演示器使用方法，如图43所示。

（1）将U形框架平放在桌面上。

（2）将装有把手的螺旋形感应线圈放在U形框架的磁场中，并与灵敏电流计相连，通过上下、左右、前后平移感应线圈以及顺时针、逆时针转动感应线圈，观察是否有感应电流产生，若有，方向又如何？

（3）将装在交叉钳上的线圈放在U形框架中，并与灵敏电流计相连，改变线圈的面积，观察是否有感应电流产生，若有，方向又如何？

（4）根据实验现象，分析“磁生电”（即电磁感应）的规律。

图43

图44

2.“磁场力（安培力）规律”演示器使用方法，如图44所示。

（1）将装有轨道的木板放在U形框架的磁场中；

（2）将空心铝棒放在轨道上；

（3）将电源与轨道相连，合上电键，铝管快速滚动。将电极交换一下，铝管会朝另一个方向快速滚动；

（4）将轨道从U形框架中取出，上下翻转U形框架，使磁场的方向发生改变，重新实验；

（5）根据实验现象，分析磁场力（安培力）F的方向与磁感强度B、电流I方向的关系。

3.电磁炮使用方法

（1）将电磁炮平放在桌面上，“炮弹”（金属球）上膛；

（2）在电键断开的情况下，接好电源；

（3）按下按钮，“炮弹”在磁场力的作用下，加速从炮筒中射出。