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第11章 物理实验教学中的实验演示(5)

教学实践中,通常采用:①对照比较法进行归纳、总结。例如平均速度和即时速度;作用力和反作用力;电场和磁场;光的微粒说和波动说;物体的弹性和塑性;光的反射和折射;圆周运动中的向心力和离心力;功和能;②用图表法对照比较。例如萘的熔解和凝固图中,萘在熔解或凝固中温度不变,且熔点和凝固点相同的对照比较;又如列表找出热传导中,传导、对流、辐射的共同点与区别;③用数据对照比较。通过数据或计算说明结果或物理规律。例如,通过电磁波和声波的传播速度和时间计算,说明和无线电收听千里之外的演出比剧场中观众先听到的事实,说明电磁波的传播速度,另外,物理演示实验中应用对照比较法,直观性强,效果明显,南京市葛塘中学沈金玉老师举几个物理实验进行了阐述:

辐射演示实验

两个相同的平底烧瓶,分别涂以黑色和白色,上接玻璃细管,并以水滴(加彩色)将空气密封,中间放一支点燃的蜡烛(见图1),通过小水滴移动快慢的对比,明显看出涂黑色烧瓶中气体膨胀快即受热多,有力地说明了黑色物体表面吸收辐射热的本领比白色表面的物体强。本实验的特点是:简单直观,效果明显;且不受有无阳光的影响。在演示实验后,学生能轻而易举地回答夏天宜穿浅色衣服的道理;并能分析或设计避免热辐射的各种方法。

传导与对流的演示

如图2相同的两试管,盛水适量,并放入活的小鱼、小虾,分别在试管的底部和上部用酒精灯加热。片刻后可以看到:在底部加热者试管内鱼、虾很快被烫死;而在试管上部加热者,即使将上部的水煮沸,下面的鱼虾照样游动。

实验鲜明地显示:水不善于传热;但通过对流可很快把水烧开。

光的反射与折射

暗室中用全反射仪进行演示。可增加深色的细绳通过入射点垂直悬挂作为法线。入射光、反射光同时出现,便于对照比较。

(1)入射光线、反射光线、折射光线在同一平面上,且反射光线、折射光线与入射光线分居法线两侧。

(2)反射光与入射光在同种物质中,当调整入射角时,反射角相应变化,且反射角=入射角。

(3)折射光进入另一种物质,折射角≠入射角……(4)为进一步分析,可列表比较之。

入射角减少为零增加反射角减少0增加折射角减少0增加本实验增加了法线,使观察和分析更方便和直观,提高了实验效果。

远距离高低压供电试验

如图3,长约06m的示数板左方置有63V的交流电源,上为以铁丝为导线(增加导线电阻)直接供电;下为通过升压装置,接近右侧负载时再降为63V供电;负载为相同的两灯泡A和B,如图3。从A、B两灯的亮度对比能非常直观地得出远距离高低压供电的差别。

在同一实验中,也可引导学生用对照比较法观察和分析例如,装有水的平底烧瓶,投入不褪色的纸屑,在烧瓶底部加热后,对比纸屑的运动情况,可观察到烧瓶中间的纸屑上升,而边缘的纸屑下降,形成对流,从而形象地说明流体受热不匀或因温差出现的对流情况。

……在物理演示实验中应用对照比较法,时时注意透视和分析事物的异中之同和同中之异,可以避免在重复信息上花费思维,从而增加记忆痕迹和深度和容量,达到充分挖掘人的记忆潜力的效果。同时也是“从生动的直观到抽象的思维,并从抽象的思维到实践”,是“认识真理,认识客观实在的辩证的途径”。特别是作为以实验为基础的物理科学,引导学生从直觉的兴趣转向以内在规律的探索,培养和发展学生从事科学研究的能力方法,将使学生在今后的实际工作中终身受益。

简易演示实验的课堂运用

演示实验是物理教学中的一个重要环节,得法、适时的演示无论是对课题引入还是对习题教学均能达到事半功倍的效果。江苏省启东市中学王兴周老师总结介绍了利用简易装置进行课堂演示的设计、实践的做法:

如图1所示,在铁架台的横梁上悬挂一摆球是一种极其简单的常见装置,我们可以它为基础,根据不同的教学要求,作适当的变换后,在课堂上进行一系列简洁明快的教学演示。

作为新授课的教学演示

实践表明,用演示实验来引入新的课题能比较自然地将设疑、引导和深化融为一体,激发学生的学习兴趣。

例1机械能守恒定律的教学演示如图1,将小球拉离平衡位置自由释放,使它在竖直平面内摆动,用米尺水平地横在后方,学生能清楚地看到,在只有重力做功时小球能摆到对面的等高位置。接着在横梁下方夹一根与之平行的细横杆P(图中虚线所示)后作同样的演示(释放小球的位置应低于P,并将铁架台从图1位置旋转一定角度使杆指向学生。),小球仍能到达对面等高位置。这样学生能比较深刻地理解机械能守恒的条件是“只有重力做功”而不是“只受重力作用”。

例2单摆的教学演示①演示等时性。配以电子挂钟进行演示。

②演示最大偏角<5°时,周期与无关。在图1的同一横梁上悬挂两相同的单摆,将两球分别在约为2°和4°处同时自由释放,它们的周期相同;再将两球分别在约为10°和4°处同时自由释放,经数次摆动可看出它们周期不同。

③演示周期与摆球质量无关。在图1的同一横梁上悬挂两摆长相等、摆球质量不等的单摆进行演示。

④演示周期与摆长的关系。在图1的同一横梁上悬挂两摆长不等的单摆进行演示。

作为习题教学的演示(1)突破思维障碍,找出解题途径例3轻杆的一端可绕O无摩擦转动,中点和另一端分别固定A、B两球。杆从位置自由释放,小球B运动到最低点的过程中机械能:(A)增加;(B)减小;(C)不变;(D)不能确定。

本例的关键是AB杆对B球是否做功。

演示:在图1的横梁上悬挂两摆长比为2:1的单摆,将两球拉到悬线达水平位置时自由释放。实验表明,摆线长的球后到达最低点。由此说明,AB杆迫使B球提前到达最低点,因而AB杆对B球做正功使B球的机械能增加。

(2)剔除干扰因素,给出合理过程。

光滑的水平面上有三个完全相同的小球排成一直线。球2和球3静止并靠在一起,球1以速度υ0射向它们。设碰撞中不损失机械能,则碰后三球的速度分别为:

(A)υ1=υ2=υ3=υ0/3;(B)υ1=0,υ2=υ3=υ0/2;(C)υ1=-υ0/3,υ2=υ3=2υ0/3;(D)υ1=υ2=0,υ3=υ0。

本例的(A)、(B)两选项分别不满足动量守恒和机械能守恒,易被排除。而在(C)、(D)两项中得以正确选择的关键是怎样选取实际所能发生的碰撞过程。

演示:将三个相同的钢球用等长的细线悬挂于图1的同一横梁上,使三球紧靠。拉开球1自由释放,实验清楚地显示球1和2均静止,而球3摆到原球1释放处的等高位置。说明它们间的碰撞是一种依次发生的速度交换过程(等质量球的弹性正碰),而不是球1与球2、3这一整体的碰撞过程,故(D)选项正确。

(3)防止进入误区,得出正确结论。

小球通过长为l的细线悬于O点,P为在O正下方的钉子。将球从(细线水平)位置自由释放,当OP为何值时小球能绕P在竖直平面内完成完整的圆周运动。

部分学生往往仅由机械能守恒片面地得出OP≥l/2的错误结论。带着这一结论先在图1的铁架台上加夹细横杆P后作OP=l/2时的演示来否定这一错误结论,让学生在震撼中领悟其中的原因在于小球若能绕P经过最高点时速度不可能为零,再引导学生从机械能守恒和小球经最高点时所满足的条件(牛顿第二定律)T+mɡ=mv2/(l-OP)≥mg及OP<1综合分析得出3l/5≤OP<l的正确结论。最后以OP>3l/5时作演示,让学生获得成功的喜悦。

演示实验会使课堂气氛十分活跃,能达到难以在严肃的讲解式气氛中所有达到的教学效果。

演示实验的讲解

演示实验是激发学生学习物理兴趣、启发学生探索物理现象学好物理知识的重要方法,可以指导学生观察和分析物理现象,获得生动的感性认识,从而更好地理解和掌握物理概念和定律,还可以培养学生的观察能力、分析综合能力的逻辑思维能力,演示实验还可以使教学过程生动活泼、注意力集中,对物理现象获得深刻印象,好的演示实验有时可使学生长期不忘,引起学生浓厚的兴趣,同时,教师的演示对于学生实验能力的培养及良好的行为习惯的养成往往起着示范作用。安徽庐江乐桥中学束义福老师作了如下具体分析:

上好演示实验课,应当重视演示实验的讲解,否则上述作用就不能达到,使学生“获得物理知识、培养学生的观察能力、思维能力和实验能力”的任务就不能完成,在物理实验演示教学中有一种注意实验演示而忽视演示实验讲解的倾向,例如教育的主管部门及学校的一些领导往往只注意标准上规定的实验是否做过,而对实验讲解得如何则很少过问,一些刊物开辟实验专栏,但多为实验改进及设计的文章,而很少有改进实验讲解方法的文章,一些教师为了应付讲课的需要,演示实验敷衍走过场,使学生知其然而不知所以然,甚至既不知其然也不知其所以然,这非但不能起到演示实验应有的作用,而且还会给学生带来不良影响,因此,有些演示实验之所以未起到很好的作用,往往不是演示实验本身失败了,而是教师不能配合恰当的讲解指导所造成。

演示实验时适当配合讲解,使学生对演示的现象进行观察和分析,认识现象的本质属性和现象之间的因果关系,从而逻辑地导出结论,这应当说是演示实验中应力争做到的。

为了培养学生的观察能力,在实验前组织学生阅读实验教材,根据实验目的告诉他们应当观察什么和如何观察,并根据实验目的要求及实验内容确定哪些是主要观察现象,哪些是次要的观察现象,让学生集中注意力观察主要现象。例如在《感生电流方向,楞次定律》演示实验中提出观察要求:①N极插入和取出时电流计指针偏转方向是怎样的。②若换用S极插入取出,电流计指针偏转方向又如何?③磁铁插入线圈过程中,若在任何一位置保持静止,电流计指针是否偏转。

在演示实验中要让学生及时做好记录,演示后要进行提问,让学生口头描述实验,说出哪些部分是我们研究的对象,哪些物体在什么仪器中什么条件下发生了哪些现象?说明了什么?例如上述演示实验中,磁铁在线圈中运动或静止时产生的现象:N极(或S极)插入或取出时,电流计有电流,两种情况下电流计显示电流方向相反,磁铁不动无电流,说明:

N极(S极)插入线圈中,磁通量变化(增大),所以线圈里产生感生电动热,电路闭合,故电流计里有感生电流,N极(S极)取出时,磁通量变化(减少),所以线圈里产生感生电动热,电路闭合,故有感生电流,磁铁不动时,磁通无变化,所以线圈中无感生电动热,电流计无电流,如果学生的观察有错误,可组织学生重新观察或加以解释,若学生观察不全面或有遗漏时也要设法补救。

演示实验做完了,但演示实验的讲解还得深化下去,要向学生不断设问、反问和提问,在学生渴望解决问题时,以实验现象为依据,启发学生运用学过的知识经过分析、综合、抽象和概括,经过去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里,透过物理现象寻找物理本质,帮助学生用逻辑推理及归纳法对个别的典型事例进行分析,从而掌握事物的本质或必然联系,使学生形成正确的物理概念或掌握物理规律。例如上述演示实验中可设问,N极(或S极)插入、取出时电流方向是否一致?为什么不一样?前后两种情况分别是线圈中磁通量增加和减小,两种情况感生电流方向不同,说明了感生电动热的正负端与磁通量的增减有关,再演示,再观察,再归纳,得出感生电动热的正负端还与原磁通量的方向有关,再设问,感生电动势的正负端与磁通变化(增减)、原磁场方向之间有什么规律?这时可将课前准备在小黑板上设计的表格亮出,师生共同分析、归纳,按格填写内容,然后小结,最后得出,当Ф原增大时,Ф感与Ф原反向。当Ф原减小时,Ф感与Ф原同向。

磁铁运动方向N极下插N极上拔S极下插S极上拔引起感生电流磁通Ф原方向向下向下向上向上Ф原的变化(增大或减小)变大变小变大变小感生电流产生的磁通Ф感方向向上向下向下向上即感生电流的磁通量总是阻碍原磁通的变化,或感生电流的磁场总是要阻碍引起感生电流的磁通量的变化(见高中物理下册第129页)。

以上结论就是楞次定律,到此,还可以进一步提问,感生电流的方向如何确定?

学生通过思考,运用已学过的知识,很快能回答:由楞次定律判定感生电流的磁通方向,再由安培定律可以判定感生电流的方向。

至此还可以对上述现象所得的结论加以解释,使讲解进一步升华,使学生踏上另一新的台阶。如:为什么会产生这种现象?由于磁铁和产生感生电流的线圈之间的磁力作用,总要阻止磁铁和线圈的相对运动,因此要产生感生电流,外力必须克服阻力(磁力)做功,这样,其他形式的能才会转化成感生电流的电能,也可以从反证法进行推理:如果不是这样,而出现完全相反的情况,那末,磁铁和线圈一旦有了相对运动,线圈中感生电流的电能和磁铁运动的机械有将会同时增大,而这是违反能的转化和守恒定律的,因而是不可能发生的。

演示实验讲解中应注意的问题:

①演示前要告诉学生仪器如何使用,如果不这样使用会出现什么问题,在实验中要不断告诉学生如何正确操作,为什么这样操作,如果不这样操作会出现什么问题,应如何处理。

②语言要简明、生动用词要准确、严密。

③演示要规范、科学,动作要正确熟练。

④讲解要紧扣教材内容和实验目的要求,要突出重点,突破难点,分解疑点,抓住关键,分析要环环紧扣,因势利导,由此及彼,由表及里,由现象到本质。

⑤边讲解边演示,讲解要配合协调,要巧设铺垫,捕捉良机,既要唤起兴趣、集中精力、仔细观察,又要创设情境激发思维,探奥索秘。

⑥对于做有一定危险性的实验时,不要过分渲染,造成学生心理上不必要的紧张害怕,而应事先向学生说明可能发生什么情况,并说明按操作规程操作就没有危险性。

课堂演示实验的艺术处理

物理是一门以观察实验为基础的自然科学。演示实验在实验教学中占有极其重要的地位,为此,教师必须努力提高演示的艺术性,不仅要保证演示的成功,还要使演示收到良好的效果,给学生留下深刻的印象。

采用可信度大的对比演示法

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