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第3章 设计与创造物理实验的方法(3)

因此“显露”能量在输电线上以热能形式损耗,正是本演示中需“强化”的内容。如果在模拟输电线路的电阻丝表面抹上牛油,当低压输送时,学生可清楚地观察到牛油因线路发热而冒烟。而当高压输电时冒烟现象很不明显,由于这一“强化”揭示了问题的本质,使演示达到理想的效果。

强化“真空铃”现象变化过程

“真空铃”的实验是为了证实演示时空气是传播声音的媒质,即如果发声体的周围没有传播声音的媒质,人们就听不到声音。

在玻璃钟罩内放一电铃(图3),用抽气机抽出罩内的空气,随着罩内空气逐渐抽出,尽管铃锤仍在振动但铃声却越来越小,在实验中发现当电铃罩上玻璃罩后,铃声已减弱很多,学生怀疑声音变轻时铃锤是否还在振动。即学生不易清楚地感受到实验过程中所发生的现象以及现象变化的过程。

为了突出在抽气前后铃声的变化,有人在钟罩内安置一无线话筒,当罩内有空气时,从调频收音机可接收到电铃发出的声音,罩内空气抽掉后,电铃和无线话筒间没有传播声音的媒质,尽管铃锤仍在振动但收音机收不到铃声。为了“显露”抽气后声音变小,但铃锤仍在振动,可在电铃中电路串联一个小灯泡,这样在铃锤振动听到声音的同时还观察到小灯泡的在闪烁,而当听不到声音时小灯泡仍在闪烁。经过从不同角度的“突出”“显露”强化了声音通过媒质(空气)传播这一物理现象。

简化装置,直观显示阿基米德定律

浮力大小的测定,传统的方法是使用如图4所示装置。在弹簧下面挂一个金属筒,筒下面吊一个金属块,记下弹簧伸长后到达的位置。另取一个水槽,槽里的水装到溢水管口,把金属块全部没入槽里水面下,金属块受到水的浮力,弹簧缩短,被金属块排开的水从溢水管流到小杯里,然后把小杯里的水全部倒进金属筒,这时弹簧又伸长到原来的位置,这说明,金属块所受的浮力,等于它排开水的重量。

这个实验装置涉及器材较多,经过三次称量对比演示过程较繁,对初中学生来说接受上有一定困难。根据“技法”指导,演示实验的“观察”与“思维”应尽快沟通起来,使反映的物理量与现象间尽少转弯抹角,这就要求排除干扰削弱一些非关键内容,把影响浮力大小主要因素直观形象地显示出来。

装置就是根据上述“强化”思路设计的。

取一只小塑料袋,袋内装满水,细线把口袋扎紧(要求袋内不留空气),用弹簧秤将它吊起,称出水所受的重力(塑料袋重量可以忽略)随后将这袋水逐渐浸入水中,弹簧秤读数逐渐变小。证明水袋受到水对它作用的浮力方向向上,浮力的大小就是弹簧秤减小了的读数,而且浮力的大小还随排开水的体积增大而增加。当水袋全部浸没水中时,弹簧秤读数恰好为零(这里忽略了塑料袋重力),说明这时水袋所受浮力与这袋水的重力恰好相等,也就是说浮力与排开的水的重力相等。如果换用其它液体如盐水、酒精做实验结果是相同的。因此可以得出这样的一个结论:浮力的大小等于排开液体的重量。这就是着名的阿基米德定律。这种方法简洁直观,现象明显,突出了“排开”的含意,而且把演示过程中部分浸没情况也直观显示出来,给学生强烈的印象,因此教学效果比较理想,特别适合器材缺乏的地区和学校,也适用于学生课外实验。

显示电流通过变阻器的路径

在变阻器的教学中,变阻器的工作原理和正确使用是学生必须掌握的知识点,教学实践证实,当变阻器接入电路后,电流通过变阻器的路径是教学的关键,如何显示电流通过变阻器路径成为突破教学难点的途径。根据强化技法的思路,有人在滑动变阻器的电阻线上分段串接指示灯(小灯泡)(图6),当电流流过全部或部分电阻丝时,其相对应的指示灯便会发亮。形象地显示了电流通过滑动变阻器的路径。这样原来“隐性”的现象就显露出来,达到了强化的目的。

演示时可对滑动变阻器的四个接线柱进行多种连接,通过指示灯的亮灭(全亮、全灭、亮哪一部分)现象分析,可以说滑动变阻器中哪部分被接入电路,对电路起了作用;怎样连接滑动变阻器才能起到变阻作用。怎样连接滑动变阻器相当于一只定值电阻;哪些接法滑动变阻器对电路的作用是等效的。另外从装置中指示灯的亮暗变化还可以判断电路中电流强度的变化情况,进而表明滑线变阻器是怎样通过电阻来改变电路中的电流强度的。

通过这样“强化”后学生对滑动变阻器的工作原理和连接方法会有更深刻的印象。

同样道理为了显示电流通过电阻器的路径,也可仿上述方法对电阻器进行“强化”。这只要在插孔下的电阻线一端分别串入指示灯,当铜塞拔出时,该插孔下面的指示灯就要发光,铜塞插入该孔指示灯灭,说明电阻丝被铜塞短路电阻丝中无电流通过。这样就直观显示了电流通过电阻线的路径。

多方位刺激,做好“空气有质量”演示

跟其他物质一样,空气也有质量,为了证实这一点,一般是用抽气机抽出瓶里的空气,然后用夹子夹紧橡皮管,把瓶放在天平上,加砝码使天平平衡,松开夹子,让外面的空气进到瓶里,天平就失去平衡,必须增加砝码,才能使天平恢复平衡,这增加的砝码就等于瓶中空气的质量。因空气是无色透明的,演示过程中瓶内有无空气,学生无法感受到,属于“隐含”

的内容。采用怎样“强化”才能把隐含的内容显露出来呢?途径很多,有人在瓶内喷入烟雾,抽气时能观察到烟雾被抽去。如果能把空气进入瓶内过程显示出来,则演示效果更为理想。这可在瓶内放些纸屑,当空气进入时,纸屑飞舞起来(图7),学生清晰感知到空气的进入,这样把瓶内有无空气,在学生的脑子里形成强烈对比。

为了充分调动学生的多种感官,多方位刺激,还可在管口装上哨子,这样演示时学生不但看到空气冲入瓶内时纸屑飞舞的情景,而且还可听到空气进入时发出的哨声。这种多方位刺激使学生对“空气有质量”形成深刻的印象。

排除次要因素,突出主要因素,研究电磁感应实验

闭合直导线切割磁力线产生感生电流是一个最基本的电磁感应实验(图8),一般初、高中都要演示。这个实验的目的是要显示单根直导线切割磁力线产生电流的现象,实验要求当单根直导线切割磁力线时,电流计指针有明显的偏转,让学生清楚地感觉到感生电流的产生。显然用一块磁铁、一根导线、一只普通的示教电表常常不能得到预期的效果。

对这样一个涉及因素比较多的演示实验该强化什么?如何强化?

“强化技法”中提到“对一些复杂的对象,因为涉及面广,很难一下子把握住,如果把它分解,就比较容易提出新的设想,找出解决问题的办法。”

导线切割磁力线到电流计指针偏转的物理过程是这样的。

导线切割磁力线→产生感生电动势(ε=BLusinθ)→闭合电路产生感生电流[I=ε/(R+r)]→电流计指针偏转。

由此可知,要使电流计指针明显偏转,关键再进一步逐个分解后,可作如下排列:

因素有两个(1)感生电流大;(2)电流表要灵敏。

这样一分解,就可以比较容易地找出使实验现象明显的几个主要“强化”途径。

(1)增大B,用强磁场磁铁或几块磁铁叠在一起(这样同时增加了磁场范围)。

(2)增加L,把导线绕成n匝线圈,利用线圈的一条直边,则导线的长度增加n倍。

(3)减小R,尽可能减小导线电阻和接触电阻。

(4)减小r,选用内阻小的电表。

(5)显示仪表要灵敏,可见度大,这可以选用灵敏电表(如微安表头并对刻度和指针进行投影、光点检流计、示波器),或对普通演示表上加直流放大器来达到目的。

由于对实验进行了分析,就可以根据实验室的条件有目的地通过“强化”途径去选用器材,改进实验装置,提高演示效果。

物理实验创造的模拟技法

在日常交流中,人们常用比较熟悉的现象去形象地说明另一生疏的现象,这可以说是创造技法中模拟技法的雏形。

在物理教学中,有一些现象学生无法直接感知,又很难通过一般实验加以说明。对这些现象的研究,我们常借助模拟实验来为学生提供“熟悉”的生动形象的感性材料,从而达到揭示现象的本质,点拨学生思维的目的。

那么,这些行之有效的模拟实验是怎样设计出来的呢?

物理实验创造技法中的模拟技法为我们提供了一条研究模拟实验的思路。

应用模拟技法要点是:(1)根据具体教学要求和学生的认识实际确定研究对象;(2)对研究对象进行剖析,略去其次要因素,提炼出其需要学生掌握的本质特征;(3)选择学生“熟悉”

的并和研究对象有共同特征的实验进行模拟。模拟实验不但要形似,更要强调模拟实验和研究对象的共同点,从而创设正确的物理情景。上海风华中学冯容士、陈奕荣老师用下面的实验从不同侧面来说明模拟技法在物理实验教学中的应用。

双金属片

双金属片是固体的热膨胀在工程技术上应用的一个实例。当双金属片受热后,因铜的线膨胀系数大,会向铁片一侧弯曲。学生对加热后弯向铁皮一侧不甚理解。如果按图1所示,用纸折成扇面状,其一半涂红色模拟铜片,另一半模拟铁片,当拉伸扇面时(模拟双金属片受热),纸片总弯向伸长小的一侧,形象生动地揭示了双金属片弯曲的这一物理现象的本质,达到了模拟目的。

在上述应用模拟技法的范例中,研究对象是揭示双金属片加热后弯向铁片一侧的机理;而铜片和铁片在加热时,伸长不一样是其本质特征;选用扇面状纸片是学生“熟悉”的,而它伸长时,又具有和双金属片共同的特性。因此这是一个既形象实用又简易可行的范例。

摩擦力

教学实践表明,学生对摩擦力的理解比对重力和弹力的理解困难,特别是“静摩擦力的方向跟物体相对运动趋势的方向相反”更成为教学难点。所以揭示“静摩擦力的方向”或“相对运动趋势”成了模拟技法的研究对象。

有人设计了如图2所示摩擦模拟器。在长方形木块上、下各装一块薄板作为木块的模拟接触层,薄板通过短橡皮筋与木块连在一起。要求木块与两薄板间摩擦系数很小(这可以通过在它们之间贴上摩擦力很小的聚四氟乙稀薄片达到)。上下薄板的侧面装有指针,木块上标有刻度,指示薄板滑动的方向和大小,以模拟摩擦力的大小和方向。

用测力计钩住木块一端小钩,在未施力时,接触层上指针不动,当向右施力可明显看到木块有相对运动趋势,指针指示木块受到桌面对它的摩擦力和施力方向相反;随着测力计拉力加大,指针偏移增加,说明静摩擦力随拉力的增大而增大。

把A、B两块木块重叠在一起,当向右拉A时从指针指示,说明:A受到桌面对它一个向左静摩擦力;A、B之间的接触层存在摩擦力,如果拉上面的B[如图(c)],从指针指示可分析各木块所受摩擦力方向的各种情况。

把木块放在斜面上,从指针指示可知斜面对它的静摩擦力方向则为沿斜面向上。当斜面角度增加时,从指针指示可知静摩擦力随着增加。

另一种模拟方案,用长毛板刷的毛面模拟接触层,从毛的形变情况同样可以达到模拟的目的。

摩擦力是学生原来无法直接感知的物理现象,演示时通过对模拟接触层偏移情况观察,使学生明显感受到不同情况下摩擦力的方向和大小,同样也揭示了“相对运动趋势”这一抽象概念,使问题迎刃而解。

分子间相互作用力

分子间的相互作用力历来被认为是一教学难点,学生对分子间同时存在斥力和引力难于理解,在分子间距离r不同时,分子力表现不同,而且分子间可以相互作用的距离r很短,一般来说,当分子间距离超过它的直径10倍以上时相互作用就十分微弱,可以认为引力等于零。模拟分子的相互作用力可以帮助我们解决分子间的相互作用力这一教学难点。

研究对象应包含下述内容①斥力和引力同时显示。②不同r时显示不同力。③当r>分子直径时相互作用力消失。

一个模拟分子相互作用的一种装置。两个乒乓球模拟分子。其中一个球内壁胶一块小圆柱形强磁铁,将薄铁皮压成锅状,弹簧和橡皮条的一端固定在铁皮上,另一端固定在另一只球上。橡皮条把弹簧压缩成一定长度,当铁片被球上磁铁吸合后就成了一个既有斥力(由弹簧模拟)又有引力(由橡皮条模拟)的模拟器。当r=r0时斥力等于引力,模拟分子力为零;当把两小球压缩时r<r0斥力大于引力,表现分子间存在斥力;当把小球拉开时,即r>r0斥力小于引力,表现分子间存在引力;当r再增大时,锅状小铁片脱开磁铁吸引,两球分离模拟分子间相互作用力消失。

磁铁的作用力应使两球相距达到弹簧的自然长度时恰好自行脱开,否则只显示引力,而无斥力,这是与模拟对象的本质特性相悖的。在制作时应注意调节弹簧或橡皮带长度以达到预定要求。

这个模拟器只能帮助我们初步了解分子间的相互作用的情况,实际上分子间不存在弹簧和橡皮带,它的作用也远比这个模拟器中两球的相互作用复杂得多。

在教学过程中分析上述不足是非常必要的,这样才能避免由于模拟的不完善而引起的错觉。

链式反应

铀核裂变时,同时放出2~3个中子,如果这些中子再引起其它铀235核裂变,就可使裂变不断地进行下去,这种现象叫做链式反应。

这种短时间内就会释放出大量核能,并发生激烈爆炸的现象怎样在教室里把它模拟出来呢?

根据模拟技法的指导,对研究对象进行剖析,链式反应具有“持续不断”、“越演越激”的特征。

有位老师选择火柴作为模拟材料,他先点燃一根火柴,学生观察到它很快就熄灭的现象。然后将排列有“链式”图形的火柴梗(图5)的玻璃板进行投影,当点燃“链式”图形起始端的火柴梗时,学生从屏上清晰地观察到“持续不断”和“越演越激”的现象。前后两次的强烈对比,学生不但对单个原子核裂变放出能量很小这个概念有所认识,而且在头脑里形成“链式反应”的物理情景。对理解铀核裂变起了积极作用。

为了达到较好演示效果,具体制作时火柴梗要在高锰酸钾(氧化剂)饱和溶液里浸湿后凉干(注意不要浸湿火柴头)。每根火柴梗的长度要根据演示要求而定,一般可取1厘米左右,在玻璃板上排列时要头、尾相叠,为防止移动可用熔化的蜡固定。

跨步电压

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