[摘要]随着教学改革的深化，物理实验在中学物理教育中的作用和地位显得更加重要。从历年的各地高考试题中看出纯实验题的比例约占总分的18％，而且有逐年上升的趋势。认真分析历年各地高考试题，还可看出几乎所有的物理试题都与实验有关。因此，物理教师必须更新教学观念，加强对实验的研究，巧妙设计与开发实验，对优化物理教学、促进物理教学改革具有深远的意义。
[关键词]重视；开发；创新；实验
教育心理学研究实践证明，学生在学习过程中，不论是观察、记忆、思维还是想象，没有注意的参与是不行的。心理学研究表明：注意的指向性和集中性与刺激物的新异性有关，刻板的、千篇一律的习惯性刺激不易引起人们的注意。因此在中学物理实验教学中除了认真完成传统实验教学外，还要不断探究开发创新实验，用直观、新奇、有趣、贴近生活的实验现象总结物理规律，从而实现培养学生创新思维与创造能力的目的。
1 横波、纵波、驻波实验的探究与创新
取一根长绳平放在水平地面上，抓住绳子的一端周期性的在竖直方向上振动会看到绳子形成的横波，但无法得到横波的驻波，为得到横波的驻波，用电磁打点计时器、细绳、定滑轮用上图所示方法成功完成周期性振动的细绳产生的横波与驻波。实验现象已比较直观形象。但通过多次实验发现，细绳的振幅较小远处学生观察不清楚，加上细绳弹性小效果不隹，为使实验效果更明显直观，想到了采用可调频率的机械振动器代替电磁打点计时器。用弹性绳代替细绳，将定滑轮改为可调距离的固定支架，在频率一定时，可调出一个完整驻波或几个完整驻波，在机械振动器上固定弹性绳和竖直弹性圆环，同时可观察到明显横渡和横波形成的驻波，环形波和环形波形成的驻波。但是机械振动器的成本高，噪声大。为了降低成本，通过大量的实验发现用电磁振动器也能达到同样的效果，制作成本的确降低了很多，噪声也有明显降低。
中学物理机械波的教学中，横波的概念容易理解，对纵波的理解则有很大困难，而声波是纵波更难理解。为了进一步了解声波的现象，观察到声音纵波现象，我们产生了探索制作观察声波和声音驻波演示器想法，于是设计制作了最初的《声波、驻波演示器》，为获得周期性振动的声源经过多次反复实验“自制信号源”提供可调频率的信号输出，再用功放电路将信号放大，把信号接到橡皮圈喇叭的接线上，使橡皮圈喇叭以适当频率，振幅振动。把声源接到内置泡沫的玻璃管口处，让声波经过有机玻璃管中的泡沫时，引起泡沫的振动，可观察到声音在沫中形成的纵波。若在玻璃管的另一端装一可动活塞，适当改变活塞插入管中的深度，声波遇到活塞发生反射，使两列声波在泡沫中相叠加，出现声音的驻波。在该实验过程中，也可保持活塞不动适当调节声源频率、振幅，可观察到不同情况下声音在泡沫中形成的纵波和驻波现象。该《声波、驻波演示器》实验效果明显，印象深刻。该项发明作品在2008年3月30日第二十三届广东省青少年科技创新大赛中荣获科技小发明一等奖。
为了使实验现象更直观，调节更方便，在上面实验的基础上，设计制作了《多功能横波、纵波、驻波演示器》，在橡皮圈喇叭的接线两端并联频率显示器，同时加粗加长有机玻璃管，并在管内安装金属丝用来消除静电。用该仪器可以用声源发出的声波在泡沫介质中传播观察声音纵波和声音纵波形成的驻波。该演示器可直接测定声源振动频率和在介质中形成驻波的波长，若测得相邻两波节(或波腹间的距离)L(m)=λ／2，求出波长λ=2L。已知声波频率f(Hz)，则可测出声波在介质中传播的速度v=fλ=λ/T。如接通功放电路使橡皮圈喇叭振动发出117Hz频率的声波，适当改变活塞插入管中的深度，满足管两端距离等于半个波长的整数倍的条件时，入射波和反射波发生叠加形成声音的驻波。看到中央凸起的波腹处振动激烈，波节处几乎无振动。测得相邻两波节(或波腹)距离L=1.45m=λ／2，声波速度v=fλ=117×2.9m／s=339.3 m／s。这与声波在空气中传播速度340m／s理论值非常接近。
借用宏观的泡沫介质的振动来模拟微观无形的声音纵波和驻波，使无法观察到的声音纵波和驻波形象化，使物理现象更为科学、直观生动和有趣味性。
学生都有好奇心理，奇特的物理现象、出乎意料的实验结论，都会在不同程度上激发起学生的求知欲望，从而促使学生更用心地学习。
由于该作品实验效果明显，成本低廉，深受参观者好评。笔者在第25届全国青少年科技创新大赛中，科技辅导员创新决赛项目《多功能横波、纵波、驻波演示器》荣获全国一等奖，获金牌一块，通过专家评审委员会对材料审阅、现场问辩、素质测评、技能测试等多个环节的测评，又获第25届全国创新大赛“十佳优秀科技辅导员奖”和十佳“英特尔优秀科技教师奖”。
2 音叉振动在空气柱中形成的纵波和驻波
在图中所示的盛有液体的玻璃量筒中插入两端开口的玻璃管，当音叉振动后，适当调整两端开口玻璃管的上下位置，声波经过玻璃管传到液体表面时再反射回来，使两列声波叠加发生干涉。通过改变插入水中玻璃管的深度，耳朵靠近管口处能听到微弱的声音，并随深度的不同听到强弱不同的声音。为了让全班同学能听到，我们想到了在管口处装上麦克风的想法，这样就能将声音放大。当声音最强时，管口处恰好为声音产生驻波的波腹位置，同时在管口处，声音产生共鸣现象。经过多次实验发现音叉发出的声波在玻璃管内空气中产生驻波有一定的规律性，当玻璃管开口处为波腹，水面处为波节，空气柱的长度L＝λ／4。如果玻璃管足够长，继续提起玻璃管，当空气柱的长度L＝3λ／4、L=5λ／4…，都会产生驻波。在空气中产生驻波时，两波节的距离必等于λ／2的整数倍，换用不同的音叉就可测出各音叉频率。
可是，新的问题出现了：装上麦克风，效果非常明显，原先昕不清的声音变大了，但产生了很强的噪声。为了消除噪声，我们多次实验，专门设计制作了噪声干涉消声器。让人惊奇的是，一把这种消声器对接在扩音器上，噪声立刻消除。一时间，师生都为这种新颖的创意兴奋不已。后来在老师的启迪下，不少学生举一反三，把这一教学实验与我们的生活实际联系起来，纷纷提出可以把该项技术推广到工厂、城市消除噪声；还有学生大胆设想，建议把这种利用干涉原理制成的干涉型消声器应用在内燃机、通风机、鼓风机、压缩机、燃气轮机等发出噪声的机器中去，以降低甚或消除这种噪声。2008年5月，创新发明作品《竖直位移式声音驻波、共鸣、消声演示器》荣获第六届“广东省少年儿童发明奖”二等奖。该作品虽然实验效果明显，但调解范围较小，为解决这一困难，通过多次实验设计制作了如图所示的《气压式声音驻波、共鸣、消声演示器》使实验效果更加明显直观，同时还可以完成验证气体实验定律的实验。该作品在2009年4月10日第二十四届广东省青少年科技创新大赛中荣获科技小发明一等奖。
综上所述，在中学物理教学中，实验绝不是可有可无的“游戏”，相反，教师重视实验教学，有利于学生更直观有效掌握各种物理知识；教师善于开发创新实验，用新奇有趣、贴近生活的实验总结物理规律，会使学生产生“亲近感”，更有效率地进行学习。
参考文献
[1]吴全如编著《新课标高中物理实验导学》书号ISBN7-81036-627-0。
[2]吴全如主著《新编高中物理导学练测》(力学分册)，(电磁学、几何光学分册)书号ISBN7-81036-614-9／G.[2]。
