林根旺

摘 要：一些物理實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，很難將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及過(guò)程很好的展示在學(xué)生面前，利用電腦視屏攝像頭結(jié)合計(jì)算機(jī)、投影儀或大屏幕電視等設(shè)備，可以克服真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)難以成功等缺點(diǎn)，讓真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：電腦攝像頭；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；放大；轉(zhuǎn)換視角

實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)中的重要組成部分，蘊(yùn)藏著物理教學(xué)中最富活力的內(nèi)容，好的實(shí)驗(yàn)可以帶領(lǐng)學(xué)生陶醉于物理知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，但一些物理實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，很難將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及過(guò)程很好的展示在學(xué)生面前。近幾年來(lái)，多媒體技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，在教學(xué)中就出現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)，甚至代替學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。模擬實(shí)驗(yàn)固然有它不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但模擬實(shí)驗(yàn)本身是不真實(shí)的，說(shuō)到底是“假”實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。隨著教學(xué)設(shè)備的更新，不少學(xué)校在班級(jí)里都裝配了計(jì)算機(jī)、投影儀或大屏幕電視等設(shè)備。利用電腦視屏攝像頭結(jié)合這些設(shè)備可以克服真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)難以成功等缺點(diǎn)，讓真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果。下面我就結(jié)合自己在教學(xué)中的實(shí)踐，談?wù)勔暺翑z像頭在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

一、對(duì)一些微小實(shí)驗(yàn)或微小實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行放大

有些演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象太小，實(shí)驗(yàn)演示時(shí)只有少數(shù)前排學(xué)生能夠看得見(jiàn)，后排的學(xué)生看不清楚，這樣實(shí)驗(yàn)的效果將大打折扣。我們借助電腦視屏攝像頭，在投影的屏幕上或大屏幕電視上觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就能有效地解決這一問(wèn)題。

情景一：介紹游標(biāo)卡尺及螺旋測(cè)微器的使用

游標(biāo)卡尺及螺旋測(cè)微器的使用是高中階段學(xué)生必須掌握的兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，由于這兩件儀器尺寸都比較小，在教學(xué)中講解儀器的使用和讀數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)的是借助圖片展示和實(shí)物模型。圖片的展示太過(guò)單一，而實(shí)物模型又太過(guò)笨重，像我們學(xué)校木制的游標(biāo)卡尺模型現(xiàn)在基本上沒(méi)有人再用了。隨著多媒體輔助教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們又習(xí)慣借助多媒體課件進(jìn)行教學(xué)，但課件做得再好也和實(shí)物有差距。如果我們借助視屏攝像頭的放大作用，就可以將如游標(biāo)卡尺的結(jié)構(gòu)，內(nèi)測(cè)量爪、外測(cè)量爪、深度尺如何使用，測(cè)量后如何讀數(shù)及讀數(shù)中常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)介紹。并且在講解過(guò)程中能結(jié)合內(nèi)容對(duì)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的部分，如講解深度尺的使用時(shí)對(duì)準(zhǔn)深度尺部分，講解讀數(shù)時(shí)對(duì)準(zhǔn)主尺和游標(biāo)尺刻度，這樣能集中學(xué)生注意力，突出重點(diǎn)，達(dá)到理想的教學(xué)效果。

情景二：演示微小形變

在與學(xué)生的接觸中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，即使到了高三，還是有不少學(xué)生不清楚繩子的拉力是彈力的一種，可見(jiàn)我們?cè)诟咭簧闲抡n時(shí)，并沒(méi)有讓學(xué)生對(duì)彈力產(chǎn)生的根本原因——彈性形變有深刻直觀的了解。我們可以在上課時(shí)準(zhǔn)備三條等長(zhǎng)的橡皮繩、尼龍繩和麻繩，掛上一定重的物體，攝像頭對(duì)準(zhǔn)繩子底部觀察繩子的形變，如圖1所示。學(xué)生通過(guò)大屏幕就能觀察到繩子從上到下的形變，通過(guò)這種漸進(jìn)式的變化就能讓學(xué)生明白繩子之所以能對(duì)物體有拉力，是由于繩子本身發(fā)生了形變。在講解桌面受到力的作用發(fā)生形變時(shí)，我們除了用光杠桿放大外，也可以利用攝像頭放大。取厚度分別為3mm、5mm、10mm的木板做為桌面，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)桌面邊緣，對(duì)桌面施加一定的壓力，我們可以觀察到隨著木板厚度的增加，形變量由大到小。通過(guò)更直觀的觀察，同樣能讓學(xué)生更直觀地了解到產(chǎn)生彈力的物體都會(huì)發(fā)生形變，只是大小不同而已。

情景三：甩水銀溫度計(jì)

在介紹離心運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用時(shí)，我們經(jīng)常舉甩水銀溫度計(jì)的例子，許多老師可能只是口頭介紹，這比較難以激發(fā)學(xué)生的興趣，況且許多學(xué)生對(duì)水銀溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理也是一知半解。我們同樣可以借助攝像頭向?qū)W生清晰地介紹其結(jié)構(gòu)，特別是重點(diǎn)介紹彎曲的縮口位置，之后讓學(xué)生到講臺(tái)演示如何把水銀甩下去。剛開(kāi)始大部分學(xué)生受之前慣性知識(shí)的影響，會(huì)讓溫度計(jì)做如圖2豎直向下急停運(yùn)動(dòng)，想利用慣性讓水銀柱降下去。老師可通過(guò)攝像頭的放大讓學(xué)生了解到這樣做效果不理想，再讓學(xué)生握住溫度計(jì)的頂部用力甩，做如圖3所示的運(yùn)動(dòng)，這時(shí)我們就能看到水銀柱有明顯的下降。通過(guò)這樣的體驗(yàn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就能得到很好的調(diào)動(dòng)。

情景四：演示音叉共鳴箱

音叉共鳴箱是共振應(yīng)用的一個(gè)典型例子，把某一頻率的音叉插在一端開(kāi)口的共鳴箱上，當(dāng)敲擊音叉使它振動(dòng)時(shí)，箱內(nèi)的空氣柱就能產(chǎn)生共振，發(fā)出較響的聲音。如果將相同結(jié)構(gòu)的音叉共鳴箱放在距離較近的正對(duì)面，并且讓開(kāi)口相對(duì)，另外一個(gè)音叉也會(huì)跟著振動(dòng)起來(lái)，但在演示中往往現(xiàn)象并不明顯，只有較近的幾個(gè)同學(xué)能有所察覺(jué)，課堂效果并不理想。如果我們將攝像頭對(duì)準(zhǔn)第二個(gè)音叉，如圖4所示，就能在屏幕上明顯地觀察到音叉振動(dòng)起來(lái)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

二、將一些只能在水平面上做的實(shí)驗(yàn)通過(guò)視角轉(zhuǎn)換直觀展示出來(lái)

有不少的物理實(shí)驗(yàn)由于各種原因，只能在水平面上完成，這樣也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生看不到實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象，不能讓實(shí)驗(yàn)本身發(fā)揮最大的作用。如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)用攝像頭對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，適當(dāng)調(diào)整角度和距離，學(xué)生便能在大屏幕上直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象。

情景一：演示最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力

測(cè)最大靜摩擦力是高中實(shí)驗(yàn)會(huì)考中經(jīng)常考察的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中將一個(gè)物塊放在水平的木板上，用彈簧測(cè)力計(jì)水平拉著。逐漸增大拉力直到物塊滑動(dòng)，記下剛好使物塊滑動(dòng)時(shí)的測(cè)力計(jì)的示數(shù)。然后在物塊上添加砝碼，再次水平拉動(dòng)物塊，并記下剛好使物塊滑動(dòng)時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)。在幾年的監(jiān)考中，都發(fā)現(xiàn)有不少同學(xué)沒(méi)有區(qū)分最大靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力，記下的是勻速拉動(dòng)時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能在是平面上做，學(xué)生很難直觀看到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變化情況，所以不少老師上課時(shí)也是以口頭講解為主，沒(méi)有把實(shí)驗(yàn)完整地做出來(lái)。根據(jù)“學(xué)習(xí)金字塔理論”，這種純講授式的教學(xué)方式，學(xué)習(xí)效果是最低的，學(xué)生在會(huì)考時(shí)把操作要領(lǐng)忘了也就不足為奇。我們可以在上課時(shí)用攝像頭對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生便可以從大屏幕上觀察到，什么時(shí)候的測(cè)力計(jì)讀數(shù)等于最大靜摩擦力，什么時(shí)候又等于滑動(dòng)摩擦力。其實(shí)兩者的差別還是比較明顯的，像用我們學(xué)校的實(shí)驗(yàn)器材，沒(méi)有加砝碼時(shí)，最大靜摩擦力為0.40N左右，滑動(dòng)摩擦力為0.36N左右。

情景二：用鐵粉模擬磁體或電流的磁感線

磁感線是描述磁體或電流周?chē)艌?chǎng)的重要方式，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也常用鐵粉在磁場(chǎng)中被磁化的性質(zhì)來(lái)顯示磁感線的形狀。如要了解條形磁鐵的磁感線分布時(shí)，將條形磁鐵固定在有機(jī)玻璃下，把鐵粉撒在有機(jī)玻璃板上，并輕輕敲打玻璃板，便可以從鐵屑的分布中大致了解到磁感線的分布。但形成的鐵屑分布形狀只能水平放置，老師往往要拿著玻璃板在學(xué)生中來(lái)回走動(dòng)，才能向?qū)W生展示清楚。如果我們要把條形磁鐵、通電直導(dǎo)線、環(huán)形電流、通電螺線管等對(duì)象的模擬磁感線一一展示，就會(huì)消耗不少課堂時(shí)間。如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)就用攝像頭對(duì)準(zhǔn)相關(guān)器材，便可將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在大屏幕上直觀展示，提高課堂效率。

情景三：水波的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)

在學(xué)習(xí)波的干涉和衍射知識(shí)時(shí)，我們經(jīng)常要演示水波的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)。以水波的衍射實(shí)驗(yàn)為例，我們?cè)谒壑蟹湃雰蓧K擋板，擋板之間留一狹縫，水槽邊緣用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)棒振動(dòng)，振動(dòng)棒末端固定一小球，讓小球剛好接觸到水槽的水面，在水面上便可產(chǎn)生持續(xù)的平面波。通過(guò)調(diào)節(jié)擋板位置，使狹縫從大到小變化，我們可以發(fā)現(xiàn)狹縫的寬度遠(yuǎn)大于水波的波長(zhǎng)時(shí)，并沒(méi)有明顯的衍射現(xiàn)象，而當(dāng)狹縫的尺寸跟波長(zhǎng)差不多時(shí)，衍射現(xiàn)象十分明顯。這個(gè)實(shí)驗(yàn)同樣也只能在水平面上完成，以前經(jīng)常要結(jié)合實(shí)物投影儀才能完成，現(xiàn)在攝像頭加大屏幕電視基本上都可以取代實(shí)物投影儀的功能，而且使用起來(lái)更加方便快捷，只要將攝像頭對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，便可將干涉和衍射現(xiàn)象清晰展示。