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高中物理疑難實(shí)驗(yàn)解析及解決策略　　

劉小湖　　

（Tel:13575084498; E-mail:lxh6742@yahoo.com.cn）　　

沒有實(shí)驗(yàn)的物理理論是空洞的，沒有理論的實(shí)驗(yàn)是盲目的。正是實(shí)驗(yàn)家使理論家保持老老實(shí)實(shí)的態(tài)度。 ——帕格爾斯，物理學(xué)家。　　

實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn)。——丁肇中，物理學(xué)家。　　

“講給我聽的，我會忘記……演示給我看的，我會記得……我動(dòng)手做的，我會終身不忘…” ——喬.梅爾，美國物理教師協(xié)會主席。　　

許多中學(xué)物理老師都有這樣的體會：中學(xué)物理課本中有不少實(shí)驗(yàn)，看似簡單，你真的去做，往往會發(fā)現(xiàn)并非想象中的那么容易。　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　例如，高中物理課本中機(jī)械波概念的引入，教材上用的是一個(gè)如圖所示的繩波演示實(shí)驗(yàn)，按課本所述，用手拿著一根繩子的一端（另一端固定）上下擺動(dòng)，就會看到一列凹凸相間的波向繩子的另一端傳去，但拉著繩子的一端上下擺動(dòng)了老半天，卻只見整條繩子在擺動(dòng)，而不見明顯的波。實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)要想演示出課本所說的現(xiàn)象，在繩子的選擇上很有講究，繩子如何懸掛以及手拿繩子如何擺動(dòng)也都是個(gè)問題。并不是隨便拿根繩子、隨便搖兩下就可以搖出波來的。而這些細(xì)節(jié)，作為以中學(xué)生為讀者對象的中學(xué)物理課本一般是不會特別地加以說明的。　　

　　　　　　類似的還如光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)也是如此，照課本介紹，把一塊擦得很亮的鋅板連接在如圖所示的驗(yàn)電器上，用弧光燈照射鋅板，驗(yàn)電器指針就張開一個(gè)角度，但實(shí)際上，用弧光燈或紫外線燈照射了老半天，卻不見驗(yàn)電器指針有要張開的跡象。　　

還有一些實(shí)驗(yàn)，如牛頓第二定律的驗(yàn)證、用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律等，雖然均能完成，但實(shí)驗(yàn)誤差太大，結(jié)果令人失望。這樣的實(shí)驗(yàn)挫折經(jīng)歷多次后，教學(xué)新手往往會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生畏懼心理，久而久之雖然教學(xué)經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，有些還成為了教學(xué)骨干，但不少實(shí)驗(yàn)在他們的手中，疑難程度卻沒有相應(yīng)地降低。　　

一、疑難實(shí)驗(yàn)形成的原因　　

中學(xué)物理中竟然還有這么多的疑難實(shí)驗(yàn)？這是大多數(shù)新教師始料不及的。人們不禁要問，中學(xué)物理范圍內(nèi)主要涉及的大都是物理學(xué)中比較成熟的知識內(nèi)容，怎么還會有疑難實(shí)驗(yàn)?zāi)?？這個(gè)問題不解決，就會造成前面所說的由忽視或輕視到畏懼的結(jié)果。　　

　　　　　　首先，作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些課題都早已在實(shí)驗(yàn)室獲得了解決。但如今作為教學(xué)內(nèi)容編進(jìn)中學(xué)物理教科書中的，就屬于教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)。作為教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)，和科學(xué)研究中的物理實(shí)驗(yàn)或在其他應(yīng)用領(lǐng)域的物理實(shí)驗(yàn)有一個(gè)最重要的區(qū)別，那就是教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不僅要體現(xiàn)物理思想、符合科學(xué)性原則，而且必須反映教學(xué)思想、符合教學(xué)原則。例如，簡諧運(yùn)動(dòng)圖象的描繪實(shí)驗(yàn)，從技術(shù)上來說，有很多的方法可以描繪出正弦或余弦曲線。但若設(shè)計(jì)成如繪圖儀那樣的圖象描繪儀，雖然具有自動(dòng)化程度和可靠性高、操作簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)，但若考察教學(xué)目的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)必要的一點(diǎn)就是要在所獲得的圖象與振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)之間建立起盡可能直接的、必然的聯(lián)系，以便學(xué)生理解圖象所反映的物理意義。從這一點(diǎn)來看，如果圖象的描繪是通過一個(gè)自動(dòng)化的裝置來實(shí)現(xiàn)的而其機(jī)理又被有意無意地置于隱蔽地位的話，它就喪失了作為一個(gè)教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)存在所必須有的教學(xué)價(jià)值。為此，就要設(shè)計(jì)出一個(gè)既簡單又要可靠好用的裝置，這在技術(shù)上提出了更高的要求。同樣的道理，前述的光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，采用裸露的鋅板并用驗(yàn)電器檢驗(yàn)鋅板上的帶電，從教學(xué)思想上來考慮是很值得的，但在技術(shù)上又大大地增加了實(shí)驗(yàn)的難度。此外，如電磁（阻尼）振蕩、光學(xué)中的一些實(shí)驗(yàn)等也都是同樣的問題。這樣帶來的實(shí)驗(yàn)疑難在中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)中占有相當(dāng)大的比例。　　

其次，實(shí)驗(yàn)的難度是相對于教師的知識、能力和經(jīng)驗(yàn)而言的。有很多實(shí)驗(yàn)不是疑難問題，但是到了新教師手里，卻成了難題。還有一些實(shí)驗(yàn)，如靜電演示實(shí)驗(yàn)，由于以著名物理教育家朱正元先生為代表的許多前輩學(xué)者的不懈努力，實(shí)驗(yàn)本身已不象很多人想象的那么難，但是要很好地駕馭它，實(shí)驗(yàn)者必須有比較扎實(shí)的基本功。必須在掌握有關(guān)知識的同時(shí)，花時(shí)間去認(rèn)真琢磨、體會實(shí)驗(yàn)的奧妙，將資料上的分析介紹、別人的經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為自己的真正理解和切身體會，并堅(jiān)持在實(shí)踐中不斷摸索和積累，才能練就出做好靜電實(shí)驗(yàn)的真功夫。然而，許多剛走上講臺的教師在碰了幾次釘子、特別是在看到許多老教師對靜電實(shí)驗(yàn)也感到頭痛之后，沒有信心和恒心深入鉆研下去。結(jié)果，靜電實(shí)驗(yàn)在很多教師的手里成了頭號疑難實(shí)驗(yàn)，只有在天氣干燥的氣候條件下才敢在課堂上演示。　　

此外，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器本身的缺陷也是導(dǎo)致疑難實(shí)驗(yàn)問題的一個(gè)重要原因。由于體制的問題，現(xiàn)有的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備還較普遍地存在許多不如人意的地方。主要表現(xiàn)：一是在儀器的生產(chǎn)和配備上對新技術(shù)、新成果的反映太遲鈍，這樣使得一些已經(jīng)很好地解決了的疑難問題由于沒有新的儀器可用而依然疑難如故；二是不少儀器由于粗制濫造導(dǎo)致可靠性很差，使一些根本不難做的實(shí)驗(yàn)由于沒有合格的儀器可用而成為疑難實(shí)驗(yàn)。　　

二、典型疑難實(shí)驗(yàn)釋疑　　

1、與慣性有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

　　　　　　慣性是物體運(yùn)動(dòng)中的的基本概念。但是，學(xué)生要從中思考清楚慣性在所觀察到的現(xiàn)象中所起的作用，恐怕不是件容易的事情。因?yàn)橛绊戇@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的因素并不是很單純，特別是如圖所示的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)應(yīng)演示的現(xiàn)象是松開彈片后，鋼球下面的硬紙片被彈出，而鋼球則掉到了下面的筒里，所作的解釋是鋼球由于慣性要保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，就留在原處。實(shí)際上并不是這樣簡單。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鋼球具有慣性，要保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，但鋼球受到了硬紙片所施加的摩擦力的作用，它能否掉進(jìn)筒中，肯定還跟這個(gè)摩擦力的大小及作用時(shí)間有關(guān)。　　

　　　　為簡化起見，我們不考慮鋼球的滾動(dòng)，鋼球（A）和硬紙片（B）進(jìn)行受力情況分析。設(shè)鋼球和硬紙片之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，　　

則硬紙片B對鋼球A的摩擦力：　　

　　　　　　　　而：                  所以：　　

    可見，a_A與鋼球的質(zhì)量無關(guān)，只由鋼球和硬紙片之間的動(dòng)摩擦因數(shù)來決定。這說明什么問題呢？實(shí)際上，在彈片對硬紙片作用的過程中，鋼球和硬紙片的加速度方向相同，鋼球能否掉進(jìn)筒中，必須滿足的一個(gè)條件就是硬紙片的加速度至少大于鋼球的加速度，是否滿足這個(gè)條件，從外力來說，當(dāng)然彈片對硬紙片的打擊力越大越好；從A、B系統(tǒng)來說，決定的因素是B對A的摩擦力，只有當(dāng)使A加速所需要的摩擦力大于B對A所能施加的摩擦力時(shí)，A、B之間才可能相對滑動(dòng)，鋼球才可能掉進(jìn)筒中。即使A、B之間有了相對滑動(dòng)，鋼球的加速度a_A也不可能太大，否則仍可能掉出筒外。而鋼球的加速度a_A竟與質(zhì)量無關(guān)，最后起作用的是A、B之間的動(dòng)摩擦因數(shù)！換句話說就是，若A、B之間足夠光滑的話，鋼球才有可能掉進(jìn)筒中，否則不然，而不管鋼球的質(zhì)量如何。這就值得思考了，因?yàn)槲覀冎蕾|(zhì)量是物體慣性大小的量度，一個(gè)演示慣性的實(shí)驗(yàn)，能否得到所期望的現(xiàn)象，竟與物體的慣性大小無關(guān)，而是由與慣性無關(guān)的摩擦來決定，這難道說得過去嗎？這使得我們不得不要考慮它作為慣性演示實(shí)驗(yàn)的合適性問題。類似的大同小異的例子還很多，也都被用來說明慣性的存在和作用。事實(shí)上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)真正能說明的倒是沖量定理！用于作慣性的演示實(shí)驗(yàn)，不僅存在前面所講的問題和影響因素過于復(fù)雜的問題，而且對學(xué)生的前概念沒有多少針對性，學(xué)生很容易用膚淺的“那是由于慣性”等說法對付所有這一類現(xiàn)象。　　

2、與摩擦有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

　　　　　　　　　　　　人教版教材設(shè)計(jì)的演示摩擦力實(shí)驗(yàn)，是利用彈簧測力計(jì)來研究摩擦力的變化情況，如圖甲所示，該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。但實(shí)驗(yàn)中用手拉彈簧，由于手的拉力不是均勻變化的，在拉動(dòng)木塊時(shí)既要保證測力計(jì)始終水平又要使木塊勻速直線運(yùn)動(dòng),很難做到，因此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，教學(xué)效果甚差。而乙圖中，木板拉動(dòng)起來后，木塊P達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（相對地面靜止），此時(shí)，滑動(dòng)摩擦力等于彈簧彈力，之后無論木板加速、勻速還是減速運(yùn)動(dòng)，都不影響滑動(dòng)摩擦力大小，所以可以穩(wěn)定地讀取彈簧彈力，且理論上能保證彈力等于滑動(dòng)摩擦力。　　

相對運(yùn)動(dòng)趨勢的方向是很難觀察到的。學(xué)生理解起來難免會吃力。如果采用毛刷動(dòng)手演示，學(xué)生就會一目了然。如圖所示，毛刷放在桌面上，用力拉毛刷，毛刷雖靜止，但毛刷向左彎曲，它表面靜摩擦力的方向是向左的。　　

每個(gè)學(xué)生都可以做一個(gè)自己去體驗(yàn)。所需的材料只是　　

一個(gè)氣球、一個(gè)有孔的橡皮塞和一塊泡沫塑料。將泡　　

沫塑料加工成圓盤形，在其中間開一個(gè)小孔，孔的上　　

半段較大，可使橡皮塞剛好塞進(jìn)孔中；孔的下半段較　　

小，以免將氣球內(nèi)的空氣很快放完。實(shí)驗(yàn)時(shí)將氣球吹　　

足氣，捏住出氣口將氣球套在橡皮塞上，再將橡皮塞塞進(jìn)泡沫塑料圓盤的孔中，將圓盤放在平滑的桌面上，松開氣球的出氣口，圓盤就會被從下面小孔中噴出的空氣托起，輕輕一推，它就可在桌面上接近勻速地運(yùn)動(dòng)。　　

3、與振動(dòng)和波有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

本文開篇所述的關(guān)于波的“手抖繩”演示實(shí)驗(yàn)，為什么有的老師拉著繩子的一端上下擺動(dòng)了老半天，卻只見整條繩子在擺動(dòng)，而不見明顯的波呢？　　

　　　　　　一是：用手抖動(dòng)軟繩之后，繩傳播的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很快消失，不能長久保持繩波傳播的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。二是：由于繩波經(jīng)固定端反射回來與原波疊加形成駐波，故演示效果一般不太好。[改進(jìn)演示]把一條長4m卷動(dòng)窗簾帶珠子的拉繩拉直放在教室內(nèi)的走道地板上，一位同學(xué)把拉繩的一端緊按在地上不動(dòng)，教師手握拉繩另一端，在水平方向上，左右抖動(dòng)拉繩。經(jīng)過上述操作后，在地上可以清晰地看到繩波傳播的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。若教師手握拉繩一端，在水平方向上，左右抖動(dòng)半個(gè)周期后停止，清晰的看到半個(gè)波長的波形由波源向遠(yuǎn)處傳播。若教師手握拉繩一端，在水平方向上，左右抖動(dòng)一個(gè)周期后停止，清晰的看到一個(gè)波長的波形由波源向遠(yuǎn)處傳播。經(jīng)過改進(jìn)后，可以實(shí)現(xiàn)更多的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢W(xué)生直接參與實(shí)驗(yàn)，互動(dòng)效果好，且可長久保留波的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，便于觀察分析，印象深刻。　　

　　　　　　我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：用如圖所示的裝置來演示共振，則發(fā)現(xiàn)拉開驅(qū)動(dòng)擺再釋放后，需要等較長的時(shí)間才可看到，擺長與驅(qū)動(dòng)擺A擺長相同的B和C兩個(gè)擺振幅最大，擺長與驅(qū)動(dòng)擺擺長相差最大的D和E兩個(gè)擺振幅最小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但稍后這種格局即開始變化，使教師不得不趕緊將整個(gè)演示停下來。究其原因，首先是因?yàn)橛嘘P(guān)的擺長很難調(diào)得一致，從而產(chǎn)生“拍”的現(xiàn)象；其次是驅(qū)動(dòng)擺的驅(qū)動(dòng)力是通過張緊的掛單擺的繩子傳給其他擺的，而其他擺一有振動(dòng)也同樣可以通過繩子影響驅(qū)動(dòng)擺的振動(dòng)，這樣相互影響，使得問題變得很復(fù)雜；此外掛單擺的繩子的松緊程度影響著能量沿繩子的傳播快慢，適當(dāng)放松張緊的繩子，可以加快能量的傳遞，縮短開始等待的時(shí)間。　　

但是，其他的問題依然存在。因此，若改用長短不一的細(xì)線各栓一個(gè)回形針后固定在一支鉛筆上，演示時(shí)手握鉛筆的一端微微振動(dòng)，回形針也隨之?dāng)[動(dòng)，哪個(gè)回形針擺幅最大則由驅(qū)動(dòng)的頻率決定。這樣演示頗為生動(dòng)有趣，但缺點(diǎn)是演示時(shí)驅(qū)動(dòng)力的頻率是由演示者把握的，如何能使學(xué)生建立振幅最大的擺的自由振動(dòng)頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率的聯(lián)系還是個(gè)問題，但是這個(gè)簡易裝置極其簡易，每個(gè)學(xué)生都可以當(dāng)堂自制一個(gè)自己親自來體驗(yàn)什么情況下擺的振幅最大，從中不難發(fā)現(xiàn)出共振的條件。　　

4、與熱學(xué)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

　　　　　　觀察布朗運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，用一臺顯微鏡讓所有的學(xué)生都來觀察，課堂上又沒有更多的時(shí)間；用多臺顯微鏡又不可能。所以一般都是老師在黑板上講解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課堂教學(xué)效果不理想，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性受到影響。若用激光器觀察布朗運(yùn)動(dòng)其演示效果就很好。把1只廢舊白熾燈泡的底座取掉，將內(nèi)部的燈絲取出，用水將內(nèi)外清洗干凈，再在燈泡內(nèi)裝滿純凈的水；打開激光器，激光通過燈泡射在白色墻壁(有屏幕更好)上，此時(shí)在墻壁上會出現(xiàn)一個(gè)較大的光斑(光斑的顏色與激光器發(fā)出的光的顏色相同)。這是因?yàn)椴ＡШ退恼凵渎蚀笾孪嗤矣直瓤諝獾拇?，這樣裝滿水的玻璃燈泡就相當(dāng)一個(gè)凸透鏡，它具有擴(kuò)散光束的作用。將少許淀粉撒入玻璃燈泡中的水里，我們立即就會在墻壁上觀察到在光斑中有很多微小的發(fā)光點(diǎn)在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這是由于液體分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)從各個(gè)方向撞擊懸浮在液體中的微小淀粉顆粒，從而引起這些微小顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這些無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的微小顆粒經(jīng)過擴(kuò)散的激光束照射，成為一個(gè)個(gè)不停地運(yùn)動(dòng)的光點(diǎn)而映現(xiàn)在墻壁上，這就是布朗運(yùn)動(dòng)。注意淀粉不能撒得太多，撒多了光斑很暗，光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)也看不清楚。如果我們將玻璃燈泡里面的水倒去一部分，再加入一些熱水，發(fā)現(xiàn)光點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)明顯加快了。由此更能使學(xué)生認(rèn)識到分子運(yùn)動(dòng)隨溫度的升高而變得更加激烈。　　

　　　　　　中學(xué)物理教學(xué)中演示固體間分子引力一般采用的是將兩個(gè)鉛圓柱塊壓緊在一起后不易拉開的方法。這樣實(shí)驗(yàn)要想令人信服的話，一是最好只用兩手用力擠壓而不要借助工具，因?yàn)槿羰菍W(xué)生的印象是用兩個(gè)鉛塊被壓成一塊了的話，就沒有必要這樣做，隨便找個(gè)物體直接一拉不就得了？而且，兩鉛塊壓在一起后，要能抗得住一定的拉力。因?yàn)?，有學(xué)生可能會認(rèn)為，兩鉛塊壓在一起后之所以不分開，是由于大氣壓的緣故，類似馬德堡半球。這種懷疑不是沒有道理的，只有通過實(shí)驗(yàn)才能解開他們的疑問。　 　　　這樣一來，對實(shí)驗(yàn)的要求就更高了。首先，要將兩鉛塊接觸面的氧化層用玻璃或刀刮去，要注意向同一個(gè)方向用力并盡量將兩接觸面刮平，對兩鉛塊施壓時(shí)不要采取兩個(gè)接觸面對壓的方法，而要按照圖所示的箭頭方向用力推壓，逐漸增大兩鉛塊的接觸面。這樣壓好以后，一般可以承受10N的拉力。而拉開鉛塊后，從其上的印痕可以看出，兩鉛塊壓緊時(shí)的接觸面積一般都很小，可以估算出遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于　1cm　²。因此足以說明是分子間的引力在起主要作用。筆者按上述方法處理和壓緊兩鉛塊后，最大曾吊起過半桶約　5kg　的水。這樣就更令人信服了，老師們不妨一試。　　

5、與靜電有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

用摩擦的方法起電，帶電體往往是絕緣體，如何將它所帶的電荷轉(zhuǎn)移到驗(yàn)電器或其他物體上去呢？人們自然想到使它們相互接觸，如將已起電的有機(jī)玻璃棒與驗(yàn)電器的導(dǎo)電球接觸，使驗(yàn)電器帶電。但是，做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的老師一定會有這　 　　　　　樣的體會，僅僅將棒與導(dǎo)電球接觸往往不易使電荷轉(zhuǎn)移到驗(yàn)電器上去，特別是在天氣較潮濕時(shí)更是如此。而若照如圖所示使棒在導(dǎo)電球上轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦幾下，往往可使驗(yàn)電器帶上足夠多的電荷。這是什么原因呢？實(shí)際上，大家知道，作為絕緣體，它帶電的情況與導(dǎo)體大不一樣，絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現(xiàn)的，因而不能象導(dǎo)體上所帶的電荷那樣可以自由移動(dòng)、以傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。試想，如果絕緣體上的電荷可以通過傳導(dǎo)的途徑轉(zhuǎn)移，那么從電荷產(chǎn)生伊始，它不就可以通過我們的持棒之手跑掉了嗎？哪里還談得上轉(zhuǎn)移電荷呢？實(shí)際上，帶電的絕緣棒與導(dǎo)體接觸后，導(dǎo)體上所得到的電荷是通過放電的形式轉(zhuǎn)移　 　　　　　而來的，即金屬中的電子在強(qiáng)電場的作用下從金屬表面逸出。導(dǎo)體表面電荷集中的尖端部分最易發(fā)生這種放電現(xiàn)象。如圖所示，在驗(yàn)電器導(dǎo)電桿上插一表面光滑的薄金屬板，用帶電的有機(jī)玻璃棒或者橡膠棒靠在金屬板面上來回移動(dòng)摩擦數(shù)次后移開棒，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器并未帶上電荷，但若將棒靠在金屬邊緣上刮擦一次，即可使驗(yàn)電器帶上電荷。這正是由于金屬板邊緣電荷集中，電場較強(qiáng)，容易產(chǎn)生放電之故。事實(shí)上，在天氣干燥時(shí)，只要將帶電棒靠近金屬板邊緣而并不與之接觸，就足以使驗(yàn)電器帶上凈電荷。若在此過程中細(xì)聽，可聽到帶電棒與金屬板邊緣之間有“喳喳”的放電聲，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是很說明問題的，前述的將帶電棒在驗(yàn)電球上轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，其作用也正是促進(jìn)放電的發(fā)生。　　

     綜上所述，通常我們通過接觸可以實(shí)現(xiàn)絕緣帶電體上電荷的轉(zhuǎn)移，但其本質(zhì)上不是傳導(dǎo)而是放電。對于這個(gè)問題的正確理解，有助于我們把握靜電實(shí)驗(yàn)的成敗關(guān)鍵，提高實(shí)驗(yàn)的成功率。如利用法拉第圓筒演示靜電平衡時(shí)電荷只分布在導(dǎo)體外表面的實(shí)驗(yàn)，許多物理老師感到棘手，主要是將驗(yàn)電球從內(nèi)壁取出后，驗(yàn)電球上也常常帶有電荷。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因大多是，圓筒與驗(yàn)電球之間產(chǎn)生了放電（圓筒內(nèi)壁若存在尖端部分也會顯著地影響試驗(yàn)結(jié)果）。在驗(yàn)電球從圓筒筒口經(jīng)過時(shí)，它與筒口邊緣之間，最易發(fā)生放電，從而導(dǎo)致驗(yàn)電球帶電。為此，可采取適當(dāng)擴(kuò)大筒口特別是對筒口邊緣進(jìn)行磨光處理的措施，同時(shí)選用合適的驗(yàn)電球和注意操作，就可以保證實(shí)驗(yàn)的成功。　　

6、與恒定電流有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

正確地選譯擇儀器和電路的問題，有一定的靈活性．解決時(shí)應(yīng)掌握和遵循一些基本的原則、即“安全性”。“精確性”、“方便性”和“誤差小”、“儀器少”、“耗電少”等各方面要綜合考慮．靈活運(yùn)用． 　　

　　　　　　如何選擇滑動(dòng)變阻器的接法設(shè)計(jì)控制電路是教學(xué)中的難點(diǎn)。　 　　　

①限流法.如圖（a）所示，待測電阻上電壓調(diào)節(jié)范圍為　 　　　.顯然，當(dāng)R₀<<R_L時(shí)，在移動(dòng)滑動(dòng)觸頭的過程中，電流的變化范圍很小，總電流幾乎不變，U_L也幾乎不變，無法讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)R₀>>R_L時(shí)，滑動(dòng)觸頭在從b向a滑動(dòng)的過程中，先是電流表、電壓表的示數(shù)變化不大，后來在很小的電阻變化范圍內(nèi)，電流表、電壓表的讀數(shù)變化很快，也不方便讀數(shù)，只有當(dāng)R_L與R₀差不多大小時(shí)，才能對電流、電壓有明顯的調(diào)控作用.在同樣能達(dá)到目的的前提下，限流法較為省電，電路連接也較為簡單.　　

②分壓法.如圖（b）所示，待測電阻上電壓調(diào)節(jié)范圍為0～E，且R₀相對于R_L越小，R上的電壓變化的線性就越好.當(dāng)R₀>>R_L時(shí)，盡管U_L變化范圍仍是0～E，但數(shù)據(jù)幾乎沒有可記錄性，因?yàn)樵谶@種情況下，滑片從左端滑起，要一直快到右端時(shí)，電壓表上示數(shù)一直幾乎為零，然后突然上升到E，對測量幾乎沒有用處.因此，分壓接法要用全阻值較小的滑動(dòng)變阻器。　　

下列情況必須選用分壓式接法　　

（1）要求回路中某部分電路電流或電壓實(shí)現(xiàn)從零開始可連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)（如：測定導(dǎo)體的伏安特性、校對改裝后的電表等電路），即大范圍內(nèi)測量時(shí)，必須采用分壓接法.　　

（2）當(dāng)用電器的電阻R_L遠(yuǎn)大于滑動(dòng)變阻器的最大值R₀時(shí)，必須采用分壓接法.因?yàn)榘磮D（b）連接時(shí)，因R_L>>R₀＞R_ap,所以R_L與R_ap的并聯(lián)值R_并≈R_ap，而整個(gè)電路的總阻值約為R₀，那么R_L兩端電壓U_L=IR_并=　 　　　·R_ap，顯然U_L∝R_ap,且R_ap越小，這種線性關(guān)系越好，電表的變化越平穩(wěn)均勻，越便于觀察和操作.　　

（3）若采用限流接法，電路中實(shí)際電壓（或電流）的最小值仍超過R_L的額定值時(shí)，只能采用分壓接法.　　

下列情況可選用限流式接法　　

（1）測量時(shí)對電路中的電流或電壓沒有要求從零開始連續(xù)調(diào)節(jié)，只是小范圍內(nèi)測量，且R_L與R₀相差不大或R_L略小于R₀，采用限流式接法.　　

（2）電源的放電電流或滑動(dòng)變阻器的額定電流太小，不能滿足分壓式接法的要求時(shí)，采用限流式接法.　　

（3）沒有很高的要求，僅從安全性和精確性角度分析兩者均可采用時(shí)，可考慮安裝簡便和節(jié)能因素優(yōu)先采用限流式接法.　　

7、與電磁感應(yīng)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

　　　　　　高中物理課本中有一個(gè)驗(yàn)證楞次定律的演示實(shí)驗(yàn)，但是用學(xué)校的儀器來做，其效果很不好。原因是通過單匝鋁框的磁通量變化較小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流不大，因此感應(yīng)電流的磁場不強(qiáng)，原磁場與感應(yīng)電流的磁場作用力不大。　　

改進(jìn)方法：用直徑為0.5ｍｍ左右的漆包線，繞制兩個(gè)匝數(shù)各為50～100匝，直徑為8ｃｍ左右的圓形線圈，其中一個(gè)線圈將線頭上的漆刮掉，把兩個(gè)線頭連接起來形成一個(gè)閉合線圈；另一個(gè)不連接成閉合線圈，將兩個(gè)線圈都用透明膠布或細(xì)線綁緊。再把楞次定律演示器上兩邊的鋁環(huán)取下，分別換上兩個(gè)線圈，如圖所示，這樣演示器就改好了。如果兩邊不平衡，可以在較輕的一邊多綁一些透明膠布或其它物體，直到調(diào)整到平衡后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。　　

改進(jìn)后的線圈由１匝增加到ｎ匝，在相同的磁通量的變化情況下，感應(yīng)電動(dòng)勢由原來的E增加到nE。而由于整個(gè)線圈的總電阻也增加到原來的n倍，所以每一匝線圈中的電流強(qiáng)度沒有增加，但是n匝線圈中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場疊加起來，就使總的感應(yīng)磁場大大增強(qiáng)了，從而增大了感應(yīng)磁場與原磁場的相互作用力，因此，實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。　　

　　　　　　我們可以用一個(gè)簡單的裝置來演示電磁驅(qū)動(dòng)與電磁阻尼。用磁鐵（最好是釹鐵硼材料的強(qiáng)磁鐵）做一秋千，把一鋁板（或銅版）放在秋千的下面，如圖。首先證明磁鐵和鋁板是不相互吸引的，調(diào)節(jié)擺線的長度，使磁鐵與鋁板間的距離大約在　1cm　左右。　　

（1）電磁驅(qū)動(dòng)。水平推動(dòng)鋁板，使鋁板相對磁鐵發(fā)生靠近或遠(yuǎn)離的相對運(yùn)動(dòng)，磁鐵秋千也隨之運(yùn)動(dòng)。鋁板向右，磁鐵也隨之向右；鋁板向左，磁鐵也隨之向左。　　

（2）電磁阻尼。讓磁鐵秋千做單擺運(yùn)動(dòng)，它將在平衡位置附近持續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后緩慢停下來。把鋁板放在磁鐵秋千的下方，運(yùn)動(dòng)的磁鐵很快停下來。　　

（3）共振。鋁板與磁鐵秋千相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋁板對磁鐵秋千施加了一策動(dòng)力，當(dāng)鋁板推動(dòng)的頻率與磁鐵秋千的固有頻率相同時(shí)，秋千擺動(dòng)的幅度最大。　　

8、與光學(xué)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)釋疑　　

常規(guī)的光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)有兩種做法:第一種是如教材所示用手電筒作為光源在教室演示;第二種是用激光發(fā)生器作為光源在暗室中演示。這兩種方法的弊端很多。其一:手電筒的發(fā)光呈發(fā)散狀,光能較為分散,在演示光發(fā)射和光折射時(shí)可視性差,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯;其二:在暗室中作實(shí)驗(yàn)學(xué)生的管理是個(gè)問題,另外暗室中的光線也不利于學(xué)生記筆記。　　

光的傳播實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：在暗室里將一束光射到空氣中，觀察光在空氣中的傳播徑跡。存在的問題是不適合在教室演示?！緦?shí)驗(yàn)的改進(jìn)】點(diǎn)燃一根蚊香放在空礦泉水瓶口，當(dāng)?shù)V泉水瓶內(nèi)煙霧繚繞時(shí)，用激光筆從瓶口讓激光穿過煙霧，一條清晰的直線光路在空氣中就顯現(xiàn)出來了。　　

光在水中傳播的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：在暗室里將一束光射到水中，觀察光在水中的傳播徑跡。存在的問題是不適合在教室演示，且光在水中的傳播路徑不明顯。【實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)】在裝滿清水的礦泉水瓶中滴入幾滴牛奶或在水中混入適量肥皂水，使水呈輕微的渾濁狀態(tài)，再用氦氖激光等光源射向水中，此時(shí)從側(cè)面可以看到一條筆直的光路。　　

光在透明固體中傳播的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)：直接用激光筆從側(cè)面對準(zhǔn)不含果肉的果凍射去，能清楚的看到在果凍內(nèi)有一條直線光路。　　

　　　　　　凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)：該實(shí)驗(yàn)用點(diǎn)燃的蠟燭做發(fā)光體，實(shí)驗(yàn)效果不甚理想，原因是：蠟燭燃燒后，焰心、光心和光屏中心就會不再在同一高度，影響像的位置，且蠟油流到器材和桌面上難清理?！緦?shí)驗(yàn)的改進(jìn)】用多個(gè)發(fā)光二極管做成某一字母的形狀，如“F”，作為光源。　　

　　　　　　本文開篇所述的關(guān)于“光電效應(yīng)”演示實(shí)驗(yàn)，為什么效果不好呢？原因是：鋅板被紫外線照射后，雖然從理論上講能使鋅板釋放電子，但在非真空條件下，由于空氣電離在鋅板的周圍形成一層空間電子云，這層電子云嚴(yán)重地阻礙了光電子的運(yùn)動(dòng)。若用倫琴射線代替紫外線進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，能夠較成功地演示光電效應(yīng)。因其射線波長是幾十到幾百埃，能使光電子獲得較大的初動(dòng)能，從而能夠克服電子云的阻礙?，F(xiàn)將此方法介紹如下，如圖所示。將事先用砂紙擦凈不帶電的鋅板固定在驗(yàn)電器金屬桿上，驗(yàn)電器指針張角為零。將演示用的倫琴射線管（J2512型）固定在鐵架臺上，并且離鋅板距離為10cm左右。接通電源，倫琴射線照射鋅板，驗(yàn)電器指針張開較大的角度（約45度左右）。斷開電源，倫琴射線停止照射，驗(yàn)電器指針張角仍然不變。然后，用跟絲綢摩擦過的有機(jī)玻璃棒（帶正電），靠近鋅板，發(fā)現(xiàn)驗(yàn)電器指針張角變大。這說明鋅板在射線照射下，失去電子而帶正電。用這樣的實(shí)驗(yàn)來說明鋅板發(fā)射光電子的物理過程是比較確切的。能讓學(xué)生清楚地認(rèn)清了光電效應(yīng)的本質(zhì)特征和規(guī)律。　　

三、如何提高解決疑難實(shí)驗(yàn)問題的能力　　

從事任何學(xué)習(xí)與研究，只有抓住問題一個(gè)一個(gè)地、扎扎實(shí)實(shí)地鉆研下去，才可能掌握到真正屬于自己的知識、練就出獨(dú)立解決問題的能力，這里不存在投機(jī)取巧的捷徑可走。疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與研究也不例外。但在扎實(shí)努力的前提下，如何才能舉一反三、活學(xué)活用，則是我們大家所希望的。為此，要求我們在學(xué)習(xí)和研究的過程中，不僅要針對教學(xué)的需要，一個(gè)一個(gè)地解決問題、積累知識和經(jīng)驗(yàn)，而且要善于透過具體的疑難實(shí)驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)共同的、規(guī)律性的東西。具體來說，研究疑難實(shí)驗(yàn)，了解和掌握盡可能多的有關(guān)前人研究的資料信息是很有必要的，但一定要特別注重從眾多的表面差別甚大的實(shí)驗(yàn)裝置中發(fā)掘和把握其中蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方法是物理實(shí)驗(yàn)的靈魂，深入不到實(shí)驗(yàn)方法的層次就駕馭不了疑難實(shí)驗(yàn)。疑難實(shí)驗(yàn)之所以成為疑難，說到底，就是尚未找到滿意的實(shí)驗(yàn)方法。許多漂亮的實(shí)驗(yàn)方法不僅提供給我們化解疑難實(shí)驗(yàn)所需的知識和技術(shù)竅門，而且更重要的是可以給予我們智慧的啟迪和激勵(lì)，使對它敏感、勤于思考的人獲得創(chuàng)造性地解決問題的能力。如，對于光通信，學(xué)生很感興趣但覺得挺神秘。如何用實(shí)驗(yàn)來演示光通信的原理，聽起來似乎不簡單。而用如圖所示的光通訊演示實(shí)驗(yàn)裝置，在手電筒中串聯(lián)一個(gè)電感，再將要傳遞的音頻信號通過隔直電容加于電感兩端，原來穩(wěn)定的發(fā)光的小燈泡的亮度就會隨著輸入的音頻信號的變化而變化。這樣就實(shí)現(xiàn)了用音頻信號對光的調(diào)制，也就是使電筒射出的光束中包含了要傳遞的信息。因此，若在另一端用光電池接受光束的照射，就可得到與傳遞信號變化　 　　　　　規(guī)律相同的電信號，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)的過程。演示時(shí)，從一個(gè)信號源發(fā)出的信號，可在另一端的接收機(jī)上得到，而傳遞信號的載體卻是光，這樣就突出了實(shí)驗(yàn)的原理，使學(xué)生只需要透過較少而且他們比較熟悉的技術(shù)細(xì)節(jié)就可以領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)的過程及其原理。像這樣的實(shí)驗(yàn)簡單直觀，痛快淋漓，淋漓盡致，不拖泥帶水的實(shí)驗(yàn)方法！簡直是一種智慧的熏陶和享受！　　

此外，還有幾個(gè)問題在疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究中也是需要加以注意的。　　

1、必須高度重視對疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和研究。　　

由于眾所周知的原因，目前在不少中學(xué)，仍存在著不重視實(shí)驗(yàn)的教師仍能受到重視、實(shí)驗(yàn)技能低下的教師也能成為教學(xué)骨干甚至“教學(xué)能手”的不正?，F(xiàn)象，這就誤導(dǎo)了優(yōu)秀教師的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閷χ袑W(xué)物理教師而言，不象大學(xué)教師那樣有專業(yè)方向的分工。雖然，不同的教師都因個(gè)人的特長而會形成自己獨(dú)特的教學(xué)風(fēng)格。但具有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)技能和一定的實(shí)驗(yàn)研究能力是對每一個(gè)中學(xué)物理教師的基本要求，更不用說對優(yōu)秀教師了，只會憑空口講實(shí)驗(yàn)、用粉筆在黑板上“做實(shí)驗(yàn)”的教師就不是一個(gè)真正合格的中學(xué)物理教師，因?yàn)檫@樣的教師在基本的教學(xué)技能上尚未達(dá)標(biāo)。　　

2、實(shí)驗(yàn)研究需要教育理論的指導(dǎo)。　　

作為教學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)，除了要有物理理論的根據(jù)、反映物理思想外，還要符合教學(xué)原則、反映教學(xué)思想。這個(gè)問題比較復(fù)雜，不容易三言兩語說明白。但是，有一點(diǎn)是可以非常明確地提出的，那就是通過實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)該有效地促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)過程，避免機(jī)械學(xué)習(xí)過程。這應(yīng)該成為貫穿整個(gè)教學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與改進(jìn)過程始終的教學(xué)思想。所謂的“有意義學(xué)習(xí)過程”，是與“機(jī)械學(xué)習(xí)過程”相對應(yīng)的，它的實(shí)質(zhì)“就是符號所代表的新知識與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)知識建立非人為的（非任意的）和實(shí)質(zhì)性的（非字面的）聯(lián)系?！边@就要求我們在教學(xué)中，要特別注意將新知識的傳授與學(xué)生已有的概念和理解聯(lián)系起來，在學(xué)生原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和組織我們的教學(xué)。否則學(xué)生頭腦中充斥的多是些靠模仿和記憶得來的東西。物理教與學(xué)都被降格成在頭腦中發(fā)生的“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”，就只能是徒有智力活動(dòng)的虛名了。本來，物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位受到肯定的重要原因之一，就是它具有培養(yǎng)學(xué)生能力的教育功能。但從功能到變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之間還需要有精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和有效的教學(xué)過程。否則，機(jī)械學(xué)習(xí)在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的情境下照樣可以大行其道。例如，滑線變阻器是一個(gè)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中最常用的儀器之一，學(xué)生自己使用和看老師使用的次數(shù)應(yīng)該不算少。但即使是在大學(xué)生中，不能正確地自己獨(dú)立使用它的人仍不少。因?yàn)樗麄冊谝酝膶W(xué)習(xí)中，知識照方抓藥、依葫蘆畫瓢地對著那些實(shí)驗(yàn)講義或練習(xí)冊連線，根本就沒有弄懂這樣一個(gè)并不復(fù)雜的儀器的結(jié)構(gòu)、原理和各個(gè)部件的功用。這樣的機(jī)械學(xué)習(xí)怎么能產(chǎn)生培養(yǎng)能力的效果！　　

3、要以科學(xué)的態(tài)度對待疑難實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與研究。　　

科學(xué)態(tài)度首先是實(shí)事求是的態(tài)度，那種當(dāng)學(xué)生時(shí)抄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作弊、作老師時(shí)由于自己的無知使實(shí)驗(yàn)失敗卻欺騙學(xué)生是儀器不好的傾向，是阻礙自己提高的最大障礙。此外，在實(shí)事求是的前提下，科學(xué)態(tài)度還應(yīng)表現(xiàn)為批判性的態(tài)度。疑難實(shí)驗(yàn)的研究是在不斷發(fā)展的，沒有一成不變的釋疑方法，需要不斷創(chuàng)新。即使一些很出色的解決方法，可能它們保持先進(jìn)地位的時(shí)間要長一些，但也要用批判的眼光去消化、吸收它，囫圇吞棗式的學(xué)習(xí)是難以獲得真知的。要成為一個(gè)有創(chuàng)造性的優(yōu)秀教師，真正重要的是要培養(yǎng)自己敏于發(fā)現(xiàn)并抓住問題、勤于分析研究問題和善于解決問題的能力。　　

只要我們做個(gè)有心人，處處留心，就會創(chuàng)意無限！　　

作業(yè)：請您列舉一則在教學(xué)實(shí)踐中遇到的疑難實(shí)驗(yàn)，分析其物理過程，剖析產(chǎn)生疑難的主要原因，并說說您的解決方案。（500－1000字，有圖）。　　

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