基于3D打印技术的4个高中物理创新小实验

摘要

巧妙利用3D打印技术设计4个有趣的高中物理创新小实验：根据2块磁铁在钢丝上受力后的运动情况，研究牛顿第三定律的作用力和反作用力的关系；将手机固定在圆筒中，根据手机在斜面上的运动情况，研究匀变速直线运动的特点；基于白板上悬挂弹簧再挂砝码的拉伸情况，研究胡克定律；依据铁球在磁场中的运动情况，研究磁场加速。

Graphical abstract

关键词

3D打印技术 / 牛顿第三定律 / 匀变速直线运动 / 胡克定律 / 磁场加速 / 高中物理 / 创新小实验

将新技术设备应用于研究物理实验非常便利，从而引起广大教师利用其设计高中物理实验的研究热潮。例如，许多教师利用手机、平板电脑、传感器等设备^［1-4］设计各种有趣的实验助力物理教学，均取得了很好的效果。其中，3D打印机作为新技术设备，可以打印各种各样的物品，在航空、机械、医疗等方面得到了极为广泛的运用^［5］。将其运用于高中物理教学中（用来打印各种物理实验器材），也必会带来诸多便利。

基于此，笔者利用3D打印技术设计了4个有趣的物理创新小实验助力高中物理教学，获得了满意的教学效果，特介绍如下，供同仁借鉴。

1 牛顿第三定律

（1） 器材介绍。

如图1所示，利用3D打印机打印2个直径为3 cm、厚度为1 cm、内直径为2 cm的器材，再将2块直径为2 cm、厚度为1 cm的强磁铁装入器材中（图1-a）；将1根钢丝弯成U形，并将钢丝的两端通过元件上的2个圆孔，即可将2个元件安装到支架上（图1-b，支架有孔）。

（2） 实验过程。

如果2块强磁铁（左侧为强磁铁A、右侧为强磁铁B）相邻两极为异性磁极，从距离4 cm左右静止释放强磁铁，则可以看到强磁铁A与强磁铁B相互靠近，同时向中间运动；如果2块强磁铁相邻两极为同性磁极，从距离1 cm左右静止释放强磁铁，则可以看到强磁铁A与强磁铁B相互远离，同时向外运动。

（3） 实验结论。

两块强磁铁由静止到运动，说明每块强磁铁均受到另一块的作用力，即力的作用是相互的；由运动方向可看出每块强磁铁的受力方向是相反的，也就是相互作用力的方向是相反的；同时还可以看出，相互作用力在同一条直线上。该实验可以使学生很好地理解牛顿第三定律。

2 匀变速直线运动

（1） 器材介绍。

如图2所示，利用3D打印机打印直径为8.1 cm、内径为7.3 cm（与手机的宽度相同）、长度为10.0 cm的圆筒，将手机插入圆筒中；利用木条、木板制成1个支架，支架上有限位钉（可以取不同的高度）；取1块长120 cm、宽20 cm、厚2 cm的木板，将其放到支架（分别取斜面高度为20 cm、30 cm、35 cm、40 cm、50 cm，即可形成不同倾角的斜面）上制成斜面，然后让手机从斜面顶端从静止状态滚下，就可以研究手机和圆筒的中心在斜面的运动情况。

（2） 实验过程。

在手机上下载软件Phyphox；打开软件，选择力学中的滚筒选项，设置滚筒半径为4.05 cm；把手机和圆筒放到斜面顶端，使两者从静止状态滚下，同时点击软件最上面一行的三角形开始记录数据；当手机和圆筒滚到底端后软件停止运行，就可以得到图3-a所示的v-t图像（选择速度单位为m/s的图像）；取中间斜向上的图像（横坐标从5.0～5.8 s之间的图像，该段图像是手机和圆筒在斜面上运动的图像，如图3-a所示），用软件最下面一行的“选择数据”选中斜向上的图像（图3-b中的白线），就可以得到这条斜线的斜率；改变支架的高度，得到不同角度时的加速度；将实验数据填入表中，再利用Excel以sinθ为横坐标、a为纵坐标描点作图，结果如图4所示。

（3） 实验结论。

由图3可以看出：圆筒在斜面上的速度随时间变化的图像几乎是一条直线，说明手机和圆筒的中心沿斜面向下的运动是匀加速直线运动，其斜率就是加速度。由图4可以看出：斜面的倾角越大，圆筒在斜面上的加速度也越大。这一实验很好地利用手机和圆筒的中心来研究斜面上的匀加速直线运动，让学生清楚地观察到匀变速直线运动的v-t图像是一条倾斜的直线，现象直观，结论可靠。

3 胡克定律

（1） 器材简介。

如图5所示，该胡克定律演示仪由3D打印的滑块、10 cm的弹簧、50 g砝码5个、刻度尺、白色磁性板、木板等组成。将白色磁性板固定在木板上，弹簧固定在滑块上；将滑块放在磁性板上端，可以滑动滑块改变滑块的位置；在弹簧的下端挂砝码，弹簧就会伸长，利用水性笔记录弹簧下端所在的位置，记录采用不同砝码时弹簧下端的位置，就能够研究弹力与形变量的关系。

（2） 实验过程和实验结论。

【实验过程】如图5所示，将滑块分别移动到5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm处，且依序分别挂上1个、2个、3个、4个、5个50 g砝码；利用水性笔分别记录弹簧下端所在位置，得到5个点（几乎在1条直线上）；再用刻度尺将5个点连成1条直线，即这些点恰在这条直线上；将弹簧放到0 cm位置处，可以发现直线的起点刚好是弹簧的原长，如图6所示；将图6逆时针旋转90°，可以得到图7，纵坐标为弹力，横坐标为形变量；分别将力的大小F（弹力F等于钩码的重力mg）和形变量x（利用刻度尺量出x）的数据记录到Excel表中，再利用Excel以x为横坐标、F为纵坐标描点作图，得到如图8所示的1条直线。

【实验结论】由图6可以看出：弹力与弹簧长度成线性关系，直线的起点对应于弹簧的原长。由图7可知：弹力与形变量成正比，即有:F\propto x。由图8公式可知：直线的斜率即为该弹簧的劲度系数：k=24.26 N/m。

4 磁场加速

（1） 器材简介。

如图9所示，利用3D打印机打印出1根长、宽、厚分别为20.0 cm、2.4 cm、1.5 cm的U形槽，且在离槽左侧5 cm和15 cm位置处已有打印好的限位片各1片；取4块强磁铁，利用热熔胶将4块强磁铁（相邻磁铁是异性磁极）固定在限位片上（每片限位片上固定2块强磁铁），并在每块强磁铁两边放适量的铁球（图9）。

（2） 实验过程。

如图9所示，当铁球1从U形槽左侧以静止状态释放时，铁球2被弹出并吸附到右边的强磁铁处，则U形槽右侧的铁球3就会被弹出。

（3） 实验小结。

在该实验中，铁球1释放后受到磁场的作用加速运动，通过碰撞将能量传递给铁球2；铁球2有了初速度并在磁场的作用下继续向右加速，与强磁铁相撞后将能量传递给铁球3；铁球3具有较大的速度（比铁球1、铁球2的速度大）就会被弹出，而铁球3获得的动能实际上是前2个铁球通过磁场的加速转换来的。

5 展望

4个高中物理创新小实验都能够很好地探究所对应的物理规律，达到预期的实验目的，实验效果颇佳，实验现象明显，具有推广价值，受到了师生的普遍欢迎。

在现有的实验条件下，3D打印技术使高中物理创新小实验的研究非常便利，因此，物理教师应该积极开展这些方面的研究，利用3D打印技术设计更多的自制物理实验教具，更好地为物理教学和学生服务，落实物理学科核心素养的培养。

参考文献

[1] 于淼.浅析物理教学中一物多用之手机篇［J］.中小学实验与装备，2019，29（01）：11-15.

[2] 夏良英，王云天.问题导引激发思维　追根溯源提升素养：用传感器和DataStudio软件探究小电珠的伏安特性曲线［J］.物理教师，2020，41（08）：53-54.

[3] 伍秀峰.双传感器实时显示摩擦力和正压力的设计［J］.物理教师，2021，42（10）：56-57，71.

[4] 翟晶敏，翟涛.STEAM教学理念下的物理电学传感器创客设计：基于开源硬件Arduino的疫情下防近视无极调光可控声音报警器［J］.中国现代教育装备，2021（20）：36-40.

[5] 于淼.3D打印技术下高中物理实验教具的制作：以力的合成和分解演示仪为例［J］.中学物理，2023，41（19）：45-47.

基金资助

江苏省教育科学“十四五”2021年度规划课题“新高考背景下高中物理改良与创新实验研究”(D/2021/02/603)