采用新技术制作创新教具两例

邹新政

摘   要：文章利用新技术——高亮度感光材料和手机内置传感器制作物理教学用具，详尽地阐述了这些教具的设计背景、制作过程、教学过程等。

关键词：高中物理;自制教具;内置传感器;感光材料

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）3-0054-2

科学探究中的求证环节，是切实解决问题、验证猜想的具体落点，针对某一问题的猜想，来设计探究方案或验证方案，能够锻炼学生和教师的综合能力。这些能力首先是实验设计的能力，要求理论基础过硬。其次是动手实践的能力，再好的实验设计也要落实到实践操作中。这也是目前我国中学生亟待提升的能力之一。

1    利用感光材料制作物理教具

高中阶段，有很多需要将运动轨迹记录下来的实验，比如自由落体、平抛运动、探究小车的加速度与外力和质量的关系等实验。传统的教具或实验设计大多较为繁琐，比如自由落体常常采用频闪照相的方式，频闪照相需要的拍摄环境、拍摄装备都不是一线教师易于获得的。

本文提出了一种利用感光材料记录运动轨迹的新技术，它集成了频闪照相、打点计时器等传统教具的优点，极大地提高了实验效率。相比频闪照相，操作更加方便，不需要苛刻的拍摄环境，不需要额外对多张照片进行技术合成，就能直接显示运动轨迹;相比打点计时器，减少了纸带与限位孔摩擦带来的误差，避免了传统打点计时器冗杂的实验步骤和误差分析，可以很好地加深学生对打点计时器主要原理的理解。

1.1    制作方法

激光照射在高亮感光变色粉颜料上，照射光斑上的变色粉会明显变亮，能够有效實现对光斑进行探测、跟踪、校对和识别，具有使用寿命长、效率高等特点。并且感光材料在失去激光照射后，光斑处变色粉的亮度又会重新恢复初始状态，不同的材料光斑留迹的恢复时间是不同的，本文大致将其分为短时留迹材料和长时留迹材料。具体制作方法是，将高亮感光变色粉颜料与适量的水混合，涂抹在纸张上，待水晾干后，便得到了感光板。同时，还需制作一个激光频闪光源，用单片机编程可以控制激光闪烁的频率。

1.2    教学过程

以探究小车的加速度与力和质量的关系实验模拟教学过程，该实验中，感光板替代打点计时器中的纸带，激光频闪光源替代打点计时器。将激光频闪光源置于小车中，长条形的感光板放置在小车运动方向的侧边位置，保证感光板与小车运动方向平行，以免光斑距离发生光学变形，影响数据处理。其效果如图1所示。

2    利用手机内置传感器制作高中物理教具

当前，智能手机普及程度越来越高，智能手机具备的功能也愈加强大。手机内置了多种传感器，可以监控手机的加速度、角度、所处环境的光强、气压等，但是这些参数一般是无法直接从手机原生软件上读取的，我们可以借助第三方APP实现读取功能。本文以苹果手机ios系统上的一款手机传感器作为讲解案例，软件名称是Phyphox。笔者测试了目前ios系统上大多数免费的传感器APP，这是界面最为简洁且支持中文的软件。安卓系统也有类似软件。笔者推荐一款名称为科学日志的APP，利用手机替代DIS传感器可以大大降低实验操作成本，学生自己也可以自行设计和完成实验。

Phyphox软件功能十分强大，其内置了力学、光学、声学等若干个传感器模块。本文介绍了几种高中物理传统实验中很少做的几个物理实验，来展示Phyphox软件的使用过程，凸显手机传感器软件的巨大优势。

案例1：演示下蹲、起立过程中超重、失重问题的加速度的变化情况

Phyphox软件的加速度计默认测量三个维度的加速度，案例1中，笔者将手机竖直放置，容易观察竖直方向的加速度变化情况。观察Y轴线性加速度随着时间的变化图，可以明显地看出下蹲和起立过程竖直方向加速度的情况（图2）。即，下蹲过程中先加速下蹲，再减速下蹲，前半段是失重，后半段是超重;同样的，起立过程中，先加速起立，再减速起立，前半段是超重，后半段是失重。

案例2：演示电流的磁效应

19世纪，物理学家奥斯特给直导线通电，发现放置在通电导线下的小磁针发生了偏转，从而意识到通电导线周边会产生磁场。笔者使用手机内置传感器重复类似实验，将手机固定在直导线附近某一位置，利用Phyphox软件的磁力计工具，接通电源后，可以明显地看到通电导线周边的磁场强度变化，增大或减小电流磁力计示数不同，当电流稳定时，磁力计示数保持不变（如图3）。

参考文献：

[1]迟鑫.基于实验教学培养学生物理核心素养的研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2017.

[2]朱国庆.物理自制教具设计与制作[J].考试周刊，2015（28）：134，143.

[3]朱云俊.中学物理教具自制照相机的设计、制作及应用[J].新课程学习（下）， 2013（06）：180-181.

[4]康贤明. 借助Phyphox软件用手机做物理实验[J]. 物理之友， 2019， 35（03）：36-37.

（栏目编辑    王柏庐）