固體金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)中放大原理的應(yīng)用

柏海宵

摘要： 中學(xué)物理教學(xué)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)要求具有可見度大、清晰度高、簡(jiǎn)易方便等方面的要求。本文探討了“固體金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)”中利用杠桿原理對(duì)金屬棒受熱伸長(zhǎng)量的一次、兩次等多次放大，提高其可視化程度，以此探討放大原理在中學(xué)物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中所起的重要作用。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)放大原理實(shí)驗(yàn)可視化固體金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是自然科學(xué)中一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，是物理教學(xué)的靈魂。因此，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)也成為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的觀察、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，科學(xué)的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。正如李政道先生所說：“教物理重要的是讓學(xué)生懂道理……”[1]根據(jù)中學(xué)物理教學(xué)的目的和教學(xué)大綱的基本要求，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中應(yīng)使學(xué)生在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法上有一個(gè)實(shí)在的感受，從而培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)造性，并受到科學(xué)方法的教育。

1.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要性

物理學(xué)的形成與發(fā)展是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。物理學(xué)的研究方法通常是在觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析、抽象概括和總結(jié)，從而建立物理定律，進(jìn)而形成物理理論，再回到實(shí)驗(yàn)中去經(jīng)受檢驗(yàn)[2]。實(shí)驗(yàn)是物理科學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理知識(shí)的源泉。加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)的時(shí)代特征，又是提高物理教學(xué)質(zhì)量的先決條件。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)際，具體與抽象相結(jié)合教學(xué)原則的重要實(shí)施方法。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軒椭鷮W(xué)生總結(jié)和驗(yàn)證物理規(guī)律，更好地從形象思維向抽象思維過渡。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生親自動(dòng)手操作，邊觀察邊測(cè)定，邊思考分析歸納，手腦并用，能培養(yǎng)學(xué)生觀察能力和分析問題的能力和一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)[3]。加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是提高物理教學(xué)質(zhì)量的有效途徑，對(duì)提高學(xué)生抽象邏輯思維能力很有幫助，能為今后學(xué)習(xí)物理知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。

2.中學(xué)物理教學(xué)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)要求

2.1實(shí)驗(yàn)要符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

所謂認(rèn)知結(jié)構(gòu)就是存儲(chǔ)于個(gè)人長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)內(nèi)的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)。認(rèn)知結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征涉及學(xué)生面對(duì)新任務(wù)時(shí)，他頭腦中是否有與新的學(xué)習(xí)相關(guān)的概念或原理及其概括程度。原有相關(guān)概念或原理概括度越高，包容范圍越大，遷移的能力即學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力越強(qiáng)。所以教師要選擇符合學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。如初中物理中演示“停止沸騰的水，氣壓減小時(shí)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象”，顯示氣壓減小是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的難題。此實(shí)驗(yàn)若采用“在圓底燒瓶上澆冷水”的方法來演示，雖然沸騰現(xiàn)象清晰、效果明顯，但學(xué)生不容易接受再沸騰現(xiàn)象是由壓強(qiáng)減小引起的，因?yàn)槌踔猩狈怏w的壓強(qiáng)跟溫度的關(guān)系等知識(shí)。只要對(duì)原裝置稍加改進(jìn)，巧妙地運(yùn)用噴泉現(xiàn)象，通過噴泉來強(qiáng)化氣壓確實(shí)減小這一事實(shí)，就能化解實(shí)驗(yàn)難題。

2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊鞔_。

演示實(shí)驗(yàn)是教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)組成部分，必須密切結(jié)合課題進(jìn)行。根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和要求，選擇合適的實(shí)驗(yàn)，合理地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便讓學(xué)生清楚地掌握物理概念和物理規(guī)律。例如，在講授“平拋運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)課的內(nèi)容時(shí)，我們可以選擇的演示實(shí)驗(yàn)就比較多，如拋出的粉筆頭、桌上滾落的玻璃球、水流的噴射、平拋運(yùn)動(dòng)演示儀，等等，其目的就是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解“平拋運(yùn)動(dòng)可以看做是水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的合成”這一規(guī)律。

2.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要明顯。

演示實(shí)驗(yàn)不僅要現(xiàn)象清楚，而且要面向全體學(xué)生。教師要想方設(shè)法增大演示實(shí)驗(yàn)的可見度。為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，儀器的尺寸要比較大，尤其是觀察部分的尺寸要大、刻度線條要粗，要使教室內(nèi)最遠(yuǎn)的同學(xué)也能看清。這樣做演示的精密度雖有所降低，但可以用感受效果來彌補(bǔ)，必要時(shí)可以借助投影、機(jī)械放大、光杠桿、放大電路等手段增強(qiáng)現(xiàn)象的明顯性，增強(qiáng)觀察效果。

但中學(xué)物理課本中有些實(shí)驗(yàn)的演示效果卻不符合上述要求。例如：自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、金屬受熱膨脹等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象極不明顯。那么，能否通過某種手段來提高實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的清晰度呢？完全可以。我們可以針對(duì)不同類型的實(shí)驗(yàn)，依據(jù)放大原理設(shè)計(jì)出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)裝置。以下就以金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)為例討論放大原理在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

3.固體金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

在教學(xué)中常有學(xué)生問，既然金屬受熱會(huì)膨脹，我們加熱金屬棒時(shí)，怎么就看不見它變長(zhǎng)或變粗了呢？這是因?yàn)榻饘俚臒崤蛎浵禂?shù)特別小，一般在10■數(shù)量級(jí)上。例如在20℃常溫情況下，鐵的線脹系數(shù)為11.8×10■cm℃■，金的線脹系數(shù)為14.2×10■cm℃■，銅的線脹系數(shù)為16.7×10■cm℃■。也就是說，加熱一根20cm的鐵或金或銅棒使其溫度升高300℃，其伸長(zhǎng)距離分別為：0.07cm、0.08cm和0.1cm?？梢姡瑔螒{肉眼很難觀察到這微乎其微的變化。要想將它直接搬上實(shí)驗(yàn)講臺(tái)更是難上加難。但我們可以通過杠桿原理（此處且稱之為放大原理）增強(qiáng)其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖中M為選擇用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的金屬棒（最好選擇鉛棒，它的線脹系數(shù)較大，為28.7×10■cm℃■，且易加工，易購(gòu)置）。將其右端固定，左端與指針AD接觸于B點(diǎn)（AB的距離為2cm）但不固定。指針AD的A端固定，D端與指針CE接觸于D點(diǎn)（CD距離為2cm）但不固定。指針CE的C端固定。其中，指針AD和指針CE均為30cm。N為一個(gè)刻度盤，用來觀察金屬受熱膨脹的程度。這樣我們就對(duì)金屬受熱膨脹程度進(jìn)行了二次放大?，F(xiàn)在來估算一下放大的程度。

圖1實(shí)施裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2放大原理示意圖

如圖2所示，由于金屬受熱膨脹伸長(zhǎng)的距離BB′很小，故可以認(rèn)為：AD=AD′，AB=AB′。根據(jù)△AB′B≌△AD′D可得■=■。設(shè)BB′=x，DD′=x′，AB′=AB=2cm，AD′=AD=30cm。可得：x′=15xcm。再根據(jù)△CD′D≌△CAE可知■=■，從而得出：AE=16x′=240xcm。假若選取20cm長(zhǎng)的鉛棒作為實(shí)驗(yàn)材料，那么使其溫度由室溫提高100℃則其伸長(zhǎng)量x=0.057cm，指針CE偏移距離AE=13.7cm，伸長(zhǎng)量足足240倍。若要進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)放大倍數(shù)可減小AB或CD的距離，也可進(jìn)行三次、四次等放大。但考慮到要盡量使實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，故最好采用第一次放大法。

4.結(jié)語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理積極性的重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生觀察、思維能力發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的重要途徑，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和科學(xué)探索精神的重要手段，因此教師應(yīng)特別注意在物理教學(xué)中充分利用實(shí)驗(yàn)來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，在積累知識(shí)的過程中充分感受物理為他們帶來的樂趣[9]。加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高物理教學(xué)質(zhì)量的十分有效的途徑，能為學(xué)習(xí)中學(xué)乃至大學(xué)物理知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，在物理教學(xué)中，應(yīng)大力推廣并加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。本文以金屬受熱膨脹實(shí)驗(yàn)為例討論放大原理在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過杠桿原理對(duì)金屬棒受熱伸長(zhǎng)量的兩次放大，金屬棒伸長(zhǎng)度被放大了240倍，提高金屬受熱膨脹的可視化程度以達(dá)到中學(xué)物理教學(xué)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)具有造價(jià)低廉、儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作方便等特點(diǎn)。

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