晶體和非晶體導(dǎo)熱性能比較實(shí)驗(yàn)的探討

鄭少山,李春密,李正福

(1.河西學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)系,甘肅張掖734000;2.北京師范大學(xué)物理系,北京100875)

晶體和非晶體導(dǎo)熱性能比較實(shí)驗(yàn)的探討

鄭少山1,李春密2,李正福2

(1.河西學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)系,甘肅張掖734000;2.北京師范大學(xué)物理系,北京100875)

針對(duì)“晶體與非晶體導(dǎo)熱性能比較實(shí)驗(yàn)”成功率不高的問題進(jìn)行研究,給出了典型材料的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并深入探討了影響實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素,同時(shí)對(duì)新課程中的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了分析和反思.

晶體;非晶體;導(dǎo)熱

1 引 言

普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人民教育出版社)《物理》選修3-3第9章第1節(jié)“晶體與非晶體”中有個(gè)實(shí)驗(yàn)[1],用以演示晶體與非晶體的導(dǎo)熱性質(zhì)不同.教材采用燒熱的鋼針接觸涂有蜂蠟的云母片和玻璃片的背面,分別得到了橢圓和圓形的蜂蠟熔化區(qū)域,由此說明云母和玻璃導(dǎo)熱性能存在著差異,進(jìn)而給出晶體(如云母)導(dǎo)熱性能各向異性、非晶體(玻璃)導(dǎo)熱性能各向同性.但是有不少教師反映,按照課本的做法,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯.有鑒于此,我們對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究,并將實(shí)驗(yàn)過程及操作要點(diǎn)整理出來,以便交流.

2 實(shí)驗(yàn)器材和裝置

蜂蠟、石蠟、云母、玻璃、25 W電烙鐵、鐵架臺(tái)、升降支架、直徑2 mm銅絲20 cm左右、U型片.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

主要實(shí)驗(yàn)器材的作用:

1)恒溫點(diǎn)熱源的制作.將銅絲的一端纏繞在電烙鐵上,另一端留置7～8 cm,并打磨成針狀,以點(diǎn)熱源的形式通過接觸云母或玻璃熔蠟.注意,點(diǎn)熱源的針身長度要與電烙鐵的功率相匹配,針身過長,銅絲散熱過快;針身過短,電烙鐵輻射影響蜂蠟熔化.

2)云母或玻璃的安放.U型片作為夾具,用來夾住玻璃或云母,便于水平固定.也可尋找其他代用品,筆者用氣墊導(dǎo)軌上的遮光片代用.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

3)熱源的固定.升降支架用來固定電烙鐵,方便電烙鐵的升降,根據(jù)需要將點(diǎn)熱源與云母(玻璃)接觸或者分離,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中保證針狀點(diǎn)熱源與云母(玻璃)接觸點(diǎn)穩(wěn)定.

3 實(shí)驗(yàn)步驟與操作

蜂蠟或石蠟的涂覆是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵操作,其他不需要贅述.在實(shí)驗(yàn)中云母上采用了刮涂法,玻璃上采用熱熔法.

刮涂法即先將小塊的蜂蠟或石蠟放在云母上,將云母放置在水平桌面上(桌面應(yīng)該是硬質(zhì)的或在桌面上放玻璃),用電吹風(fēng)熱風(fēng)將蜂蠟或石蠟烤軟,用壁紙刀在云母上刮涂形成一層薄膜.刮涂時(shí)應(yīng)盡量使厚度均勻,同時(shí)刮涂應(yīng)在各個(gè)方向上都做一次,避免出現(xiàn)某些點(diǎn)刮涂不上的情況出現(xiàn).刮涂形成薄膜后待其冷卻,用鋒利的壁紙刀片垂直于薄膜刮削使薄膜的厚度達(dá)到合適且均勻,見圖2.

圖2 云母片的涂覆

熱熔法即將小塊的蜂蠟或石蠟放置于玻璃上,將玻璃水平放置在桌面上.放了蜂蠟或石蠟的那一段玻璃放于桌邊緣外,用電吹風(fēng)在玻璃下面加熱,將蠟烤熔,使蠟在本身表面張力下冷凝后在玻璃上形成薄膜,見圖3.

圖3 玻璃片的涂覆

參照?qǐng)D1,將實(shí)驗(yàn)儀器搭接好后,就可以給電烙鐵通電開始實(shí)驗(yàn)了.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用蜂蠟和石蠟進(jìn)行了對(duì)比,說明蜂蠟和石蠟用來實(shí)驗(yàn)均可.二者的區(qū)別僅是在薄膜厚度較小的情況下,蜂蠟較石蠟透明度差,涂在云母上較容易觀察,見圖4～5.蜂蠟和石蠟的熔化過程如圖4～7所示.

圖4 涂覆云母上蜂蠟的熔化過程

圖5 涂覆云母上石蠟的熔化過程

圖6 涂覆玻璃上蜂蠟的熔化過程

圖7 涂覆玻璃上石蠟的熔化過程

5 分析和思考

5.1 實(shí)驗(yàn)分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片可以看出,云母和玻璃導(dǎo)熱是有明顯區(qū)別的,尤其是燒熔最大區(qū)域的比較有很明顯的不同.一個(gè)近似是橢圓,另一個(gè)近似是圓,由此比較可得云母和玻璃導(dǎo)熱的差異性.但從圖片上看出一個(gè)問題,玻璃的圓似乎有一點(diǎn)偏心,這是實(shí)驗(yàn)中玻璃水平度控制不好,有一點(diǎn)斜度造成的.

實(shí)驗(yàn)由于可視范圍較小及采用了支架等原因,學(xué)生觀察不方便.該問題應(yīng)用多媒體技術(shù)可較好地解決,這里不再多述.

本實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)之一是蠟的涂覆,實(shí)驗(yàn)中同時(shí)用了蜂蠟和石蠟,文中介紹了2種涂覆方法,云母涂覆用了刮涂法,玻璃涂覆用了熱熔法.但這不是必須的,2種方法交換也是可以的.實(shí)際上涂覆的方法還有很多,例如將蠟溶解于溶液中制成蠟溶液涂在云母和玻璃上,教學(xué)中教師完全可以讓學(xué)生去探究尋找更好的方法.關(guān)鍵是涂覆均勻且厚度合適就可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求.

5.2 思考和啟發(fā)

在實(shí)驗(yàn)的過程中,筆者思考了這樣一個(gè)問題,在教學(xué)中如何使用課本?課本是重要的教學(xué)資源,但不是惟一.若視課本為惟一,使每一個(gè)學(xué)生都得到發(fā)展就不可能實(shí)現(xiàn),物理教學(xué)也就會(huì)變得乏味和單調(diào),使生動(dòng)的物理學(xué)變成一堆死的公式和記憶的程式.這也是造成我國教育千校一面的原因之一.課本給教師留下開發(fā)的空間,才可能使教學(xué)具有生成性,才可能滿足不同學(xué)生發(fā)展的需求,才有可能滿足個(gè)性化教學(xué)的需要.課本預(yù)留了空間,探究才有了意義,更會(huì)使課堂探究生動(dòng)以及引發(fā)學(xué)生探究的興趣.而這正是課程改革所追求的.所有這一切都給教師帶來了新的挑戰(zhàn),在新課程教學(xué)中,教師不僅要轉(zhuǎn)變課程實(shí)施觀念,同時(shí),也應(yīng)該有與新課程對(duì)應(yīng)的課程觀、教材觀.

本實(shí)驗(yàn)教材所給僅僅是一個(gè)指導(dǎo)性的方法,關(guān)鍵在于使用教材時(shí)要正確地理解和把握.教材是一種教學(xué)資源,不應(yīng)該將其視為教學(xué)手冊(cè),指導(dǎo)性意義應(yīng)該更多一些,尤其是在新課程當(dāng)中,這種傾向更強(qiáng)一些.所以本文在前面敘述時(shí)采用了“教材指導(dǎo)方法”的說法.筆者認(rèn)為對(duì)課本中此實(shí)驗(yàn)正確的理解應(yīng)為材料可用云母和玻璃(晶體和非晶體),顯示導(dǎo)熱差異性可用蜂蠟,燒熔用接觸點(diǎn)熱源.至于實(shí)驗(yàn)過程及操作中的注意事項(xiàng)等問題,教材并沒有給予非常具體的解釋,例如云母和玻璃上蜂蠟的涂覆及如何去燒熔等,這些都給教學(xué)中教師帶領(lǐng)學(xué)生探究留下了很大的空間.實(shí)驗(yàn)中除了正確認(rèn)識(shí)教材的指導(dǎo)方法外,實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之處也是關(guān)系實(shí)驗(yàn)成敗的主要因素.筆者認(rèn)為關(guān)鍵處如下:1)云母片要薄;2)燒熔材料蠟的涂覆要均勻且薄厚有一定要求;3)燒熔熱源是點(diǎn)源且燒熔過程中接觸點(diǎn)要穩(wěn)定;4)燒熔過程中要盡量使云母片和玻璃保持水平.

筆者認(rèn)為課本中安排的晶體與非晶體導(dǎo)熱實(shí)驗(yàn)有獨(dú)到之處,預(yù)留了教師開發(fā)教材的空間,有學(xué)生探究的空間,留下了在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生去創(chuàng)新的空間.

[1]人民教育出版社物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理[M].北京:人民教育出版社,2008.

[2]李春密.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練[M].天津:天津教育出版社,2006.

[3]安忠,劉炳升.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].北京:高等教育出版社,1986.

[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Analysis on the thermal conductivity experiment of crystal and amorphousmatters

ZHENG Shao-shan1,L IChun-mi2,L IZheng-fu2
(1.Department of Physics,Hexi U niversity,Zhangye 734000,China;2.Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

For the low success rate of the comparative experiment of thermal conductivity of crystal and amo rphousmatters,the resultsof the experiment on typicalmaterialsw ere given,and the critical factors of the experimentwere discussed.A t the same time,the experimental research in the New Course was analyzed and reflected.

crystal;amorphousmatter;thermal conductivity

G633.7

B

1005-4642(2011)01-0025-03

2010-06-28

鄭少山(1962-),男,甘肅臨澤人,甘肅河西學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)系副教授,學(xué)士,從事物理課程與教學(xué)論教學(xué)、研究.

李春密(1966-),男,河北遷安人,北京師范大學(xué)物理系教授,博士,主要研究物理課程與教學(xué)論和學(xué)科發(fā)展能力.