中学物理演示实验的设计与自制教具的思考
物理学是以实验为基础的学科。物理实验是培养学生科学素质的最有效的途径，也是培养学生创造力和创造性思维的最佳途径。物理实验可以帮助学生丰富感性知识。提高物理兴趣;突破难点。理解概念规律;形成物理图像，认识物理过程;启发思维，增强探索精神;培养观察能力，学会实验技能;养成良好习惯，学会科学方法。演示实验是物理教学中的重要手段，它能将一些抽象的物理概念和规律形象化，还能将教师的思维方法、操作技能展示给学生，引导学生观察、思索，使学生认识物理概念和规律“事半功倍”。因此演示实验的设计、教具的制作和实验教学的方法是当前中学物理教学最为活跃的研究课题。下面就如何设计演示实验、自制教具谈谈自己的认识。
一、演示实验的设计与自制教具
根据教学的要求，演示实验的类型大致可包括引入课题的演示实验(特点：引人入胜、发人深思，也可提出问题，师生互动)、建立概念和规律的演示实验(特点：实验条件明确，观察对象突出，演示层次分明)、应用物理知识的演示实验(特点：扩展学生的思维空间，对一些普通的物理现象进行深入研究)。因此，演示实验的设计要紧扣教学内容，突出创新。自制教具，能为设计演示实验提供了良好的途径。下面介绍几个自制教具。
1.功内能转换
教具特点：设计新颖，器材简单。制作方便，实验效果明显。
器材：可乐瓶，气门芯，橡皮塞，酒精，热敏电阻，电流表，电池组，打气筒，带夹子的铁架台，导线若干。
制作：在橡皮塞上打孔，插入气门芯，在另一橡皮塞上打孔，插入气门芯，并装上热敏电阻。
原理：气体膨胀冲开橡皮塞对外做功，瓶内的气体液化说明气体的内能减少，温度降低。用热敏电阻作为传感器，通过传感方式将瓶内气体的温度变化转变成电流的变化。利用传感原理，利用热敏电阻阻值的变化来说明气体的内能增加与减少。
使用方法：
实验1可乐瓶，带气门芯的橡皮塞，打气筒，酒精，带夹子的铁架台。在瓶内倒入少量酒精，橡皮塞塞紧可乐瓶，用打气筒打气，瓶内气体压强增大。压强增大到一定程度，橡皮塞冲出瓶口，瓶内气体出现白雾状(液化)。说明气体膨胀对外做功，内能减少，温度降低。
实验2热敏电阻与电源(两节干电池)，电流表(量程用1mA)组成闭合电路。将橡皮塞塞紧可乐瓶，用打气筒打气，电流表示数增大，气体内能增加。当气体对外做功时，电流表示数减少，气体内能减少。
看似简单的教具在教学中却会收到意想不到的效果。在笔者的教学中，随着“砰”的一声巨响，可乐瓶内充满了白雾状，学生被眼前景象深深地吸引了，脸上充满着惊诧。
实验2中用热敏温度计作为传感器，既简单又富有创造性和前瞻性。
2.远距离输电演示仪
教具特点：取材方便，制作简单，实验现象明显，教学效果好。
器材：四根规格相同的电阻丝(可用电炉丝，30Ω左右)，两只规格相同的电源变压器(可用旧的录音机的电源变压器，变压比为220V/12V)，金属双滑片，2只6V小灯泡，2只电流表，导线若干。
制作：将元件按图2电路安装在示教板上，模拟高压输电电路，输入端安装升压变压器，输出端安装降压变压器，低压输电电路上装金属双滑片。
原理：根据P=UI，在输入功率不变的情况下减少电能的损失，即减小电流就必须提高电压。用高压输电可以减少电能的损耗。根据Q=I[2]Rt，电流减少1/n，电能损耗就减少1/n[2]。
使用方法：电源接交流6V。第一步定性实验，低压输电电路接交流6V，电阻短接，灯泡正常发光，向右移动金属双滑片，电阻变大，灯逐渐变暗。这说明输电线路越长，电能损耗越大。再模拟高压输电电路接交流6V，结果灯泡正常发光。第二步定量实验，同时接通电源交流6V，再接入相同电阻，分别测出模拟高压输电线路和低压输电线路中的电流(电流表的量程分别为交流100mA和交流1A)，从而根据Q=I[2]Rt，比较电能的损耗。测得数据，模拟高压输电线路的电流13mA，低压输电电路的电流2301μA，n≈18，电流减少1/18，电能损耗就减少1/18[2]。
3.光电转换
教具特点：制作简单，取材方便，演示效果明显，也适用研究性学习。
器材：大功率三极管一只，电流表，手电筒。
制作：将大功率三极管去帽，安装在示教板上(如图3)。
原理：当光照在PN结上时，半导体中便形成电子—空穴对。在光生电子—空穴的扩散运动中，有一部分运动到了PN结附近，在结内电场力的作用下，光生空穴向P区移动，使P区呈正电性;光生电子向N区移动，使N区显负电性。从而在P区与N区间产生光生电动势。一旦将外电路接通，在负载中就有电流流过。
使用方法：将大功率三极管与电流表组成回路，用手电筒照射三极管的PN结时，产生的电流可达60μA左右。
这也是一个运用性实验。学生提出：这么小的PN结在光的照射下会产生这么大的电流，如果做成大面积的半导体，在光的照射下能产生更大的电流吗?的确如此。这是太阳能电池的雏形。这个实验从另一角度证明光电的转换。做深入的研究：在微观上，跟紫外线照锌板上电子逸出产生光电效应有所不同，一是在PN结内发生变化，一是在金属表面电子逸出;在宏观上都实现了光电转换。
二、设计演示实验，自制教具的基本要素
1.科学性，创造性。所有实验的设计必须遵循科学原理。不能为了达到教学目的，人为地设计有悖科学性的实验。
2.力求明显，直观。演示实验应该使全班学生都能看清相应的物理现象和过程。因此设计中应注意物理过程中的变化要显著，现象要明显，确保演示成功。仪器的观察部分要突出，必要时通过投影或其他放大设备提高观察效果。
3.力求简明。只要演示实验的科学性强，现象明显，越简单越好。著名的奥斯特实验，只用了通电直导线和磁针，器材相当简单，却能证明通电导体周围存在着磁场。在打靶实验设计中，关键是确保打枪和掉靶的同时性。方法有二：一是在枪口装光电门和控制电路;二是将扳扣和开关直接连在一起。笔者采用了方法二，效果很好。自制教具，选材要简单，尽量利用一些旧材料，如可乐瓶等。
4.激发兴趣，适当设疑。设计趣味性强的实验，创造良好的物理环境，可以极大地调动学生的学习兴趣，从而使其产生强烈的好奇心，激发巨大的学习动力。趣味性实验主要是“新，奇，趣”。学起于思，思源于疑，疑中涉难，引导学生进行创造性思维，营造一个向未知世界不断探索的环境。
总之，要千方百计创造条件做好演示实验，尽可能利用自制教具使学生见到一些直观、生动的物理实验，激发学生的创造能力，培养学生的创造性思维。
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