設計一個探究實驗裝置

4. 求一個物理小發明（初高中階段），要求能解決生活中的小問題。

一、最簡單的抽水機

實驗素材無時不有，
無處不在，
只要我們處處留心、
善於發現，
日常生活中很多信手拈
來的物品，都可以成為我們開發實驗的好資源。

有一次我患重感冒，
躺在病床上，
當我看到護土拿著一支注射器和打吊針用的一次性塑
料軟管走過來時，
我突發其想：
要是能利用這些材料製作一件物理教具就好了，
我苦思冥想
了兩天，結果出院時誕生了一件獲得省二等獎的教具。

如圖
1
，
將打吊針用的一次性塑料軟管較粗的那兩段剪下來
（在圖中標注為
A
和
B
）
，
A
兩端各有一個口，上埠是出水口，下埠是進水口，
B
上端有現成的兩個口，下端有一個
口。
將
B
上端的一個口與
A
下端進水口連接，
另一個口與注射器相連接，
再將
B
下端進水口
放入水中，並事先分別在
A
．
B
內放進一顆小鋼珠，這樣就做成了一隻最簡單的活塞式抽水
機。

反復抽動注射器的活塞，
水就會從
A
出水口中源源不斷地流出來。
因
A
．
B
都是透明的，
學生可以很清楚地看到抽水過程中軟管內小鋼珠的運動情況（即活塞閥門的開閉情況）。

由這件教具的製作材料，
筆者明白了一個道理：
我們身邊可以用來做實驗的物品比比皆
是，
可以利用的實驗資源十分豐富，
我們缺少的並不是資源，
而是發現資源的慧眼和設計實
驗的智慧。
盡管實驗資源開發的途徑、
開發的方法多種多樣，
但最具價值的還應該是有創新
的意識和思想。

二、十分神奇的光學儀器

身邊司空見慣的物品搖身一變，
可以演變出趣味無窮的科學實驗：
兩個紙筒魔術般地組
合，可以製成照相機、幻燈機、望遠鏡、顯微鏡等模型，並能生動地揭示這
4
種光學儀器的
原理。

1
．照相機。
如圖
2
，事先發給學生一隻凸透鏡（也可用放大鏡或遠視眼鏡片代替），
讓他們准備兩本
16
開的雜志，捲成兩個大小不同的空心圓筒，在較小圓筒的一個埠蒙上
一塊半透明的塑料薄膜，
在較大圓筒的一埠用膠紙固定上凸透鏡，
使小筒蒙有塑料薄膜的
一端的能自如地套進大筒里，這樣就製成了照相機。

上課時，
讓學生把上述裝置帶來，
用大筒上的凸透鏡對准教室里或窗外的明亮景物，
前
後移動小筒，
使像距發生改變，
這時，
學生就可以觀察遠近不同的景物，
並且可以在小筒塑
料薄膜上得到一幅清晰的彩色圖像。

此處，「要使圖像放大或縮小時，相機應靠近或遠離景物？」「暗箱應拉長或縮短？」
這些歷來教學中的難點，
可在學生親自動手操作、
觀察中被輕松突破，
親身感受所學得的物
理知識，比用任何語言描述都更生動可信和印象深刻。

2
．幻燈機。
上述裝置，還能被巧妙地改裝成幻燈機：只要將小筒上半透明的塑料薄膜
換成透明的塑料紙，
並在塑料紙上畫上景物
（或直接換成印有圖案的透明塑料包裝紙，
其實
這就是現成的幻燈片）
。
用手電筒去照小筒開口端，
則可在白牆上或在豎直放置書本的封底
中出現一幅放大的彩色的景物像。

同樣，

「要使像放大或縮小該怎麼辦？」「幻燈片為什麼應倒插」等問題，學生在觀
察中很容易掌握，學生在玩中學到了物理知識。

3
．望遠鏡。
在上述幻燈機裝置中，學生只要將小筒上的塑料紙換成焦距比大筒上凸透
鏡（物鏡）焦距短的凸透鏡（當目鏡用），便能改裝成望遠鏡，通過前後移動小筒在大筒里
的位置，可以看到遠處的物體明顯變近。

4
．顯微鏡。
將上述望遠鏡裝置中的目鏡與物鏡位置調換，即可當顯微鏡用。

多數初中校的實驗室中沒有「正規」的演示照相機、幻燈機、望遠鏡、顯微鏡原理的模
型，
也就談不上讓全班學生親自操作、
觀察和理解上述教學難點，
而利用兩個紙筒組合成的
模型卻能做到這一點。

利用上述日常用品做實驗，
還有以下優點：
首先能減輕教師的工作負擔，
因為即便是條
件較好的城市學校，
教師也不可能做到每一節課的課前都為學生准備人人動手的教具。
其次，
學生課外也可以利用自製的學具反復動手操作，
而不必擔心損壞儀器，
這樣他們能夠充分地
動手、動腦，觀察物理現象的發生、發展的全過程，反復品味其中的物理原理。

因此筆者認為，
因陋就簡做實驗是利用
「正規」
儀器做實驗的補充和延伸，
對條件較好
的學校也同樣適宜，具有很強的生命力。

三、趣味橫生的靜電實驗

靜電實驗歷來很難做成功，
如何巧妙設計實驗、
尋找容易帶電材料，
是實驗成功的關鍵。

1
．靜電感應實驗。
如圖
3
，取一根用過的圓珠筆芯，取下銅筆頭，將殘留的筆油洗凈，
用鉗子把筆芯的正中央部分夾扁，在夾扁的部位扎個小孔，讓銅筆頭尖端恰好能插緊小孔，
另取一根縫衣針，將有針眼一端固定在軟木塞上（熱水瓶塞），針尖朝上，將固定在圓珠筆
芯上的銅筆頭套針尖上，使它能在針尖上靈活轉動。

由於上述裝置中針尖恰好頂在銅筆頭的小圓珠上，
所以轉動十分靈活。
讓學生用普通紙
去摩擦支架上圓珠筆芯的一端使之帶電，
另取一根不帶電的圓珠筆芯
（或其他不帶電的物體）

去靠近支架上筆芯的帶電端，
會看到它們將立即吸住，
這就是奇妙的靜電感應現象，
十分有
趣。

2
．電荷相互作用實驗。
將兩根筆芯用紙摩擦，一根筆芯架在上述針尖上的銅筆頭中，
另一根拿在手上，
讓它們帶電端相互靠近，
這時針尖上的筆芯就會被手中的筆芯推開，
調換
兩根筆芯的位置，可以得到同樣的結果，說明它們之間的作用是相互的。

3
．
同種電荷相互排斥實驗。
讓學生取一段長
20
厘米的普通塑料包紮繩
（包紮教材用的）
，
在一端打個結，
從另一端往打結端方向用手反復撕成許多條細塑料絲，
然後將這束塑料絲平
鋪在桌面上，用手指使勁摩擦塑料絲（這是迅速帶電的摩擦竅門），待手指發熱時，提起塑
料絲的打結端，
這時可以驚奇地看到塑料絲像
「著魔」
似地自動散開，
這個實驗生動地說明
了「同種電荷相互排斥」。

4
．不同物體摩擦後帶異種電荷實驗。
就利用上述這么一條隨手可得的塑料包紮繩，還
可以生動地說明兩個不同物體摩擦後帶的是異種電荷，
而這一點是實驗室的儀器沒辦法做到
的：
用學生有機塑料尺或三角板去跟裝食品用的普通薄塑料袋摩擦，
讓帶電塑料尺靠近上述
帶電塑料絲，
會看到散開的塑料絲立刻緊抱塑料尺，
而用上述帶電薄塑料袋去靠近上述塑料
絲，卻會看到帶電散開的塑料絲散得更開，不肯與塑料袋接觸，這個實驗可以形象地說明：
有機塑料尺與塑料袋這兩個不同物體摩擦後，帶的是異種電荷。

若用實驗室的綢子與玻璃棒摩擦後，
綢子上的電荷將馬上消失，
而這里用塑料袋代替綢
子，用有機塑料尺代替玻璃棒，電荷都可以長時間保留，實驗現象十分明顯。可見，一條普
普通通的包紮繩，有了一個小小的創意，就能輕而易舉地解決教學中的一個大難題。

這種利用隨手可得的廢棄學慣用品、
身邊之物，
精心設計的具有趣味性的實驗極具創意：
第一，
利用一個並不起眼的小小銅筆頭巧妙設計的靈敏支架裝置和精心選擇的極易帶電的實
驗材料，使得本來較難的實驗能輕易地做成；第二，類似簡單、方便、切實可行的實驗，為
學生提供了更多的動手機會，
使得人人動手做隨堂實驗成為了可能，
為激發學生學習物理的
濃厚興趣、培養學生的創造思維能力創造了有利的條件。

四、靈敏多用的小磁針

在日常生活中，
我們身邊可以用來做實驗的物品比比皆是，
大到電冰箱、
小到圓珠筆芯、
縫衣針，
都是可以利用的實驗資源，
這些物品通過巧妙的設計，
就能發揮生活用品的實驗功
能，啟發學生思維，激發學生的學習主動性和積極性。

如圖
4
，受到上述靈敏支架裝置的啟發，還是利用上述小小的銅筆頭和圓珠筆芯，我與
學生一起發明了一根靈敏多用的小磁針：
將圓珠筆芯銅筆頭的筆油洗凈，
剪取一段
1
厘米長
的圓珠筆芯套在筆頭尖上，將一支磁化的縫衣針用火烤熱後，橫穿過上述圓珠筆芯的頂部，
另取一根縫衣針，
把有針眼的一端固定在軟木塞
（或泡沫塑料）
上

，
將銅筆頭套在針尖上，
這就製成了一根極其靈敏的小磁針。

有了它，學生就可以動手做以下一系列實驗：

1
．指南針。

在教科書、
參考書上介紹的指南針製作方法很多，
但我覺得利用這種方法製作的指南針
最簡單、最靈敏，用手撥動小磁針，靜止後，一端立即指向南，另一端立即指向北。

2
．磁極間相互作用實驗。
取一根磁化的縫衣針，將其兩端分別與上述小磁針的一端靠
近，可以看到相互吸引或排斥的現象。

3
．奧斯特實驗。
由於上述小磁針轉動十分靈敏，學生用一段舊干電池就可以做奧斯特
實驗。

4
．判斷螺線管的極性實驗。
如圖
5
所示的螺線管，是用學生作業本捲成圓筒在其上面
環繞導線製成，
讓自製的通電螺線管兩端分別與上述小磁針靠近，
學生根據相吸或相斥，
就
可以判斷螺線管的兩個磁極的極性，從而在操作中熟練地掌握右手定則。

5
．判斷螺線管的磁性強弱實驗。
讓學生分別用不同匝數及在管中間插入鐵釘的上述通
電螺線管，
與上述小磁針靠近，
根椐相互作用力的大小，
可以探究螺線管的磁性強弱跟哪些
因素有關。

這是一個頗具創新性的實驗設計，
其突出的特點在於利用身邊的物品縫衣針、
圓珠筆芯
和導線，
製作了這根十分靈敏的簡易小磁針和螺線管。
製作方法極其簡單，
每一位學生都可
以自製，
而且一物多用，
一套裝置組合起來，
可以解決磁現象和電流磁場中這部分教學內容
中的一系列問題，很多節課學生上課時都可以帶來親自動手做隨堂實驗。

所以，
並不是所有的物理實驗都需要專門的實驗儀器來完成，
我們身邊的許多日常生活
用品也能很好完成隨堂實驗，而且也能達到十分滿意的效果。

五、精彩絕倫的光學實驗

一個巧妙的實驗設計除了器材上的合理應用以外，
還應該包含精彩的實驗方法，
不僅要
能夠釋疑解難，
而且要能夠透過具體的實驗給人以解決其他問題所需的智慧方法的啟迪，
下
面這個裝置就是一個很好的例證，
利用它可以成功地解決長期以來光學實驗難做的困惑，
巧
妙地完成以下系列實驗。

如圖
6
，取一隻圓柱形的平底透明塑料盒，將其密封，在側面打個圓孔，把盒子側放在
支架上
（即讓外底面面向讀者）
，
往盒子上側面的圓孔中注入半盒水至水平直徑處，
如圖
7
。
再往水中滴入兩滴牛奶，
並向圓孔中注入適量的淡煙霧，
使煙霧充滿水面上方空間
（可用廢
報紙捲成細空心紙筒，
點燃紙筒一端，
將另一端冒出的煙霧用注射器將煙吸入針筒里，
然後
往盒子上的圓孔中注入即可）
，
用橡皮塞堵緊圓孔，
在盒子外底面畫出水面和法線，
並在盒
子外底邊沿處標上角度，
用玩具激光筆從透明盒子外往盒內照射，
可以看到清晰明亮的紅色
光線。

5. 某同學設計如圖所示實驗裝置探究「分子的性質實驗」：圖Ⅰ時按教材進行的一個化學實驗：甲、乙、丙三個燒

濃氨水具有揮發性，揮發性氨氣遇到的酚酞試液變紅．圖I是按課本進行的一個化版學實驗，權大燒杯中的實驗現象是甲燒杯中溶液由無色逐漸變紅，丙、乙燒杯內無明顯變化；
【分析討論】
（1）通過E試管放有酚酞溶液沒有變色進行對比說明酚酞試液變紅的原因是氨分子運動的結果；
（2）通過實驗現象說明了氨水顯鹼性能使酚酞試液變紅，氨分子能到酚酞試液中說明了氨分子在不斷的運動，運動到酚酞試液中的，還能說明溫度高分子運動速度快，溫度低運動速度慢；
（3）改進後的裝置氨分子在密閉容器中運動不到空氣中，不污染空氣，在試管中進行的實驗節約葯品．現象明顯．
故答案為：甲燒杯酚酞試液變紅；分子是在不斷運動的；溶液無色；
（1）進行對比；
（2）①分子是客觀存在，並總在不斷運動的；②溫度越高，分子運動速度越快；
（3）能盡量防止氨氣逸出污染空氣，更能體驗化學變化的過程；能夠說明分子運動的快慢等．

6. 研究化學反應原理對於生產生活是很有意義的．（1）請設計一個實驗裝置，使銅與稀硫酸反應生成硫酸銅與氫

（1）使銅與稀硫酸反應生成硫酸銅與氫氣，應設計成電解池，銅為陽極，電解質溶液為硫酸，陰極可為碳，裝置圖為；
③形成電解池反應，石墨為陽極，氯離子被氧化生成氯氣，方程式為2Cl^--2e^-═Cl₂↑，
故答案為：2Cl^--2e^-═Cl₂↑；
（3）若X為鋅，開關K置於M處，鋅為負極，被氧化，鐵為正極，發生還原反應，為犧牲陽極的陰極保護法（或犧牲陽極保護法），
故答案為：犧牲陽極的陰極保護法（或犧牲陽極保護法）．

7. 設計一個物理小實驗（初二物理）大概說下器材和方法就可以

實驗一，
利用浮力
材料：鉛筆，鐵絲，尺子，水，牛奶，燒杯
步驟：
1.將水倒入燒杯內
2.將鐵絲纏繞在鉛筆的一頭，使其能直立漂浮在水面上。
3.測量鉛筆沒入水面下的長度。
4.將水倒掉，換成牛奶，測量鉛筆沒入牛奶液面下的長度。
5.根據浮力公式，這個長度與液體的密度成反比，大概能算出牛奶的密度。
實驗二
利用浮力
材料：蠟燭，釘子，尺子，水，牛奶，燒杯。
步驟：
1.將水倒入燒杯內，測量水面高度。
2.將釘子釘入蠟燭的一頭，使其能直立漂浮在水面上。
3.測量水面新高度，減去不放蠟燭的高度，得出水面上升的距離。
4.將水換成牛奶，重復1-3步。
5.根據浮力公式，液面上升的距離與液體的密度成反比，大概能算出牛奶的密度。
實驗三
利用壓強。
材料：尺子，橡皮管，燒杯，水，牛奶
步驟：
1.兩個燒杯，分別放入水和牛奶。
2.將橡皮管分別插入水中和牛奶中。
3.用手擠壓橡皮管，排出一部分管內的空氣。
4.松開手，水和牛奶被吸進橡膠管一部分。用尺子測量管內液面與管外液面的高度差。
5.利用壓強公式，水和牛奶產生的壓強與管內大氣壓相等，聯立公式，大概能算出牛奶的密度。