吳鍵兵 陳 嫻 唐守平

（1.南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210097；2.南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210097）

1 問(wèn)題的提出

中學(xué)物理教學(xué)一直鼓勵(lì)教師開(kāi)發(fā)并自制教具，普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)［1］（2020年修訂）指出：“演示實(shí)驗(yàn)是師生共同探究物理問(wèn)題的學(xué)習(xí)方式，也是體驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)習(xí)方式，教師要積極利用各種器材，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式，盡可能多地開(kāi)發(fā)可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實(shí)驗(yàn).”

但是，在教學(xué)過(guò)程中，由于缺乏可視性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)演示，影響學(xué)生物理概念的構(gòu)建.例如，在人教版《物理》選擇性必修2［2］（35頁(yè)）的“電磁阻尼”部分，教材中沒(méi)有給出具體的演示實(shí)驗(yàn)，而是通過(guò)對(duì)落入磁場(chǎng)中的單匝線圈進(jìn)行受力分析，告知學(xué)生什么是電磁阻尼效應(yīng).因此，加強(qiáng)自制教具的開(kāi)發(fā)，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)具有重要的作用.

在自制實(shí)驗(yàn)教具時(shí)，會(huì)涉及高精度、特殊構(gòu)型教具的制作，采用傳統(tǒng)鉗工、木工、車工等加工技術(shù)時(shí)，需要教師具有比較嫻熟的技術(shù)，同時(shí)特殊構(gòu)型教具的制作加工困難.隨著現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展，激光切割、3D打印等新加工方式的出現(xiàn)，為自制教具提供了新途徑.這類加工技術(shù)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)、繪圖，再由電腦控制機(jī)器加工，可以實(shí)現(xiàn)高精度加工，滿足特殊構(gòu)型教具的制作，大大降低了教師的加工技術(shù)要求，豐富了物理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)資源.本文以“電磁阻尼”和“海獅戲球”兩個(gè)教具制作為例，展示了激光切割等現(xiàn)代加工技術(shù)在自制教具中的應(yīng)用.

2 “電磁阻尼”演示儀的設(shè)計(jì)與制作

2.1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)教材中“落入磁場(chǎng)中的單匝線圈”進(jìn)行受力分析，可以發(fā)現(xiàn)，線圈進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中受到向上的安培力，阻礙線圈的下落.根據(jù)這一理論，我們將線圈換成非鐵磁類金屬板（例如，鋁板），并在底座上設(shè)置放置磁鐵的支架.當(dāng)支架上未放置磁鐵時(shí)，鋁板從高處下落，由于具有較大的動(dòng)能，可以輕易砸壞底座上放置的物體（例如：雞蛋、胡蘿卜、黃瓜等）.若在支架上放置磁鐵，由于穿過(guò)鋁板的磁通量發(fā)生變化，使得鋁板受到向上的安培力作用，給快速下落的鋁板減速，最終平穩(wěn)停在物體上方.在一些科普視頻中也有類似的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，［3］給觀眾留下了深刻印象.

2.2 材料選擇

8 mm厚度亞克力板若干、銣磁鐵2塊、200×200×2 mm鋁板1張、330×150×2 mm鐵板1張、亞克力材料粘合膠水、胡蘿卜或黃瓜1根、螺絲若干.

2.3 教具制作

根據(jù)“電磁阻尼”原理，并結(jié)合一些科普視頻，“電磁阻尼”演示儀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由軌道、磁鐵支架、底座組成.底座為一塊400×250 mm的亞克力板，用于維持整個(gè)裝置的穩(wěn)定性.磁鐵支架是一塊被彎折90°的“L”型鐵板，一面與豎直軌道平面平行，用于放置銣磁鐵，其下半部分開(kāi)孔方便放置物體；鐵板的另一面與底座平行，用螺絲進(jìn)行固定，鐵板與豎直軌道平面之間距離可調(diào)，用于調(diào)節(jié)磁鐵與豎直軌道平面的距離.用三塊亞克力板拼接形成“Π”型結(jié)構(gòu)的豎直軌道，中間凹槽為鋁板豎直下落的軌道.

圖1 “電磁阻尼”演示儀模型圖

由于軌道、磁鐵支架、底座等主要采用拼接方式，要求接口等具有較高的精度，因此采用了軟件繪圖設(shè)計(jì)、數(shù)字控制加工、激光切割的現(xiàn)代加工技術(shù)，便捷地完成了教具的制作.圖2是組裝完成的“電磁阻尼”演示儀實(shí)物圖.

圖2 演示儀實(shí)物圖

2.4 實(shí)驗(yàn)演示

自制的“電磁阻尼”演示儀主要演示兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）下落鋁板落到底座，切斷擺放在下方的黃瓜；（2）鋁板平穩(wěn)地停在黃瓜上方的某一位置.鋁板下落的位置可通過(guò)調(diào)節(jié)磁鐵與軌道平面的距離來(lái)控制.

調(diào)節(jié)磁鐵支架使磁鐵遠(yuǎn)離鋁板下落平面，此時(shí)磁鐵對(duì)下落鋁板產(chǎn)生的阻力很小，可以忽略，鋁板近似做自由落體運(yùn)動(dòng)，具有較大的速度，能夠輕易切斷下方的黃瓜（如圖3所示）.

圖3 切斷黃瓜

調(diào)節(jié)磁鐵支架使磁鐵靠近鋁板下落平面，此時(shí)磁鐵對(duì)鋁板下落的運(yùn)動(dòng)阻礙較大，大大減小了鋁板的下落速度，最終鋁板平穩(wěn)地停在黃瓜上方（如圖4所示）.

圖4 平穩(wěn)地停在黃瓜上

通過(guò)“電磁阻尼”演示儀演示的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，即同一高度下落的鋁板，一次切斷了黃瓜，一次平穩(wěn)地停在黃瓜上，給學(xué)生帶來(lái)了較強(qiáng)的視覺(jué)沖擊，明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而建立新的認(rèn)知結(jié)構(gòu).

3 “海獅戲球”的設(shè)計(jì)與制作

3.1 海獅戲球的設(shè)計(jì)原理

圖5是“海獅戲球”玩具，當(dāng)緩慢推動(dòng)海獅向前移動(dòng)時(shí)，特制小球也會(huì)跟著向前移動(dòng)并且旋轉(zhuǎn).這是因?yàn)楹＊{和小球中分別放置了一塊磁鐵，通過(guò)磁鐵的同極相斥、異極相吸作用，產(chǎn)生“海獅戲球”現(xiàn)象.但是，想要展示玩具應(yīng)有的物理現(xiàn)象，兩塊磁鐵如何擺放是有要求的.［4］

圖5 海獅戲球玩具照片

雖然海獅戲球玩具涉及的物理原理很簡(jiǎn)單，但給學(xué)生展示時(shí)也能夠產(chǎn)生很奇妙的物理現(xiàn)象，將它應(yīng)用到物理教學(xué)中，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)物理探究的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維.但是，在課堂上演示“海獅戲球”現(xiàn)象時(shí)，由于無(wú)法拆卸玩具，學(xué)生看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解.因此，在教學(xué)過(guò)程中，向?qū)W生展示清晰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的建構(gòu)，也是制作演示儀器需要考慮的重要方面.

3.2 材料選擇

5 mm厚度亞克力板若干、條形磁鐵2塊、亞克力材料粘合膠水、螺絲若干、可拆塑料空心小球1個(gè).

3.3 教具制作

為了保留玩具原本的趣味性，制作的教具仍然選擇海獅形狀（圖6），但是，海獅形狀極不規(guī)則，傳統(tǒng)工藝制作難度較高，因此，需要采用激光切割的現(xiàn)代加工技術(shù).切割兩片不透明亞克力板作為教具的外側(cè)面板，在演示時(shí)學(xué)生無(wú)法看清內(nèi)部構(gòu)造，保留其神秘性.海獅內(nèi)部需要放置磁鐵，因此制作的海獅中間需要有一定的空間.通過(guò)切割多片中間帶有空腔的海獅形狀的亞克力板（圖7），疊加起來(lái)，這樣海獅模型就可以留出一個(gè)放置磁鐵的長(zhǎng)方體空間.最后將多片海獅形狀的亞克力板疊在一起，從三個(gè)圓圈插入、擰緊螺絲，即可制作出一個(gè)海獅形狀的模型（圖8）.這種可拆裝結(jié)構(gòu)為教學(xué)過(guò)程中向?qū)W生展示清晰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了可能.小球和磁鐵可以直接購(gòu)買，但是條形磁鐵豎直放入小球時(shí)，其長(zhǎng)度不能超過(guò)小球半徑，以保證磁鐵加小球的組合體重心較低，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果.

圖6 海獅模型A圖

圖7 海獅模型B圖

圖8 海獅戲球教具

3.4 實(shí)驗(yàn)演示

在調(diào)試自制的“海獅戲球”玩具時(shí)發(fā)現(xiàn)，不僅可以演示海獅推著小球向前運(yùn)動(dòng)，還可以演示海獅后退時(shí)，小球也跟著后退，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象的關(guān)鍵因素是兩塊磁鐵擺放的位置關(guān)系.

如圖9所示，當(dāng)海獅中的磁鐵在zOy平面內(nèi)并與z軸有一定的夾角θ、小球中的磁鐵在與zOy平行的平面中并與z軸平行時(shí)，由于兩塊磁鐵的同極大致相對(duì)，此時(shí)推動(dòng)海獅向小球靠近，會(huì)對(duì)小球施加沿x軸的推力F，從而使小球內(nèi)磁鐵繞前進(jìn)軸偏轉(zhuǎn).［5］最終表現(xiàn)為小球旋轉(zhuǎn)前進(jìn).如果兩塊磁鐵按照?qǐng)D10的位置擺放，即兩塊磁鐵異極大致相對(duì).此時(shí)，當(dāng)海獅遠(yuǎn)離小球時(shí)，對(duì)小球內(nèi)磁鐵施加的推力F就變成了與x軸方向相反的吸引力F′，最終實(shí)現(xiàn)小球旋轉(zhuǎn)后退.為了方便調(diào)節(jié)磁鐵角度，可以在海獅內(nèi)的磁鐵上粘一根小木棒，并延伸到海獅模型外面（圖11），通過(guò)旋轉(zhuǎn)木棒，調(diào)整磁鐵角度，向?qū)W生演示海獅隔空推著小球前進(jìn)以及拉著小球后退的兩種現(xiàn)象.

圖9 海獅推著小球前進(jìn)

圖10 海獅拉著小球后退

圖11 海獅內(nèi)磁鐵剖面圖

4 總結(jié)

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理教學(xué)必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ).自制教具可以更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，易于揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)特征；而且可以使學(xué)生感到親切，含有許多創(chuàng)造教育的元素.

傳統(tǒng)的自制教具是通過(guò)對(duì)生活中的一些物品進(jìn)行加工而來(lái)，故而常存在限制多、精度低以及技術(shù)要求高等問(wèn)題.隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的普及，現(xiàn)代加工技術(shù)精度高，操作簡(jiǎn)單，能夠制作出我們想要的任意形狀的部件，這為自制教具帶來(lái)極大的方便，教具制作的技術(shù)門檻和成本不斷降低，［6］可以讓更多教師的創(chuàng)作靈感得以實(shí)現(xiàn).