成功應(yīng)用大學(xué)物理演示實驗教學(xué)法一例

李 銳，錢良存，梅 林

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，安徽 合肥 230036）

成功應(yīng)用大學(xué)物理演示實驗教學(xué)法一例

李 銳，錢良存，梅 林

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，安徽 合肥 230036）

闡述了演示實驗教學(xué)法應(yīng)用中必須處理好的三個問題：與中學(xué)物理教學(xué)的銜接問題；現(xiàn)代手段和“原始裝置”的問題；創(chuàng)造思維和邏輯思維能力的培養(yǎng)問題.以自感現(xiàn)象教學(xué)中的一個成功實例來具體說明演示實驗教學(xué)法的實施過程.

大學(xué)物理；演示實驗；培養(yǎng)能力

大學(xué)物理教學(xué)的基本任務(wù)是使學(xué)生掌握物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律和基本方法，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力.掌握三基是培養(yǎng)能力的基礎(chǔ)，培養(yǎng)能力是掌握三基的歸宿.因此，在整個教學(xué)活動中教師都必須注意培養(yǎng)能力這一核心問題.對于課堂教學(xué)而言，培養(yǎng)學(xué)生能力的方法很多，而演示實驗教學(xué)法是一個重要的方法[1].本文就該法在教學(xué)中使用應(yīng)注意的三方面問題加以闡述，并舉一實例來體現(xiàn)上述思想.

1 運用演示實驗教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生能力應(yīng)注意的問題

1.1 與中學(xué)物理教學(xué)的銜接問題

目前流行的大學(xué)物理教科書中演示實驗為數(shù)不多，且大多和中學(xué)教材重復(fù).教師在設(shè)計、演示這些實驗時，必須在中學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ)上加深和擴展，避免重復(fù)，否則，難以收到預(yù)期的效果.

1.2 現(xiàn)代手段和“原始裝置”的問題

現(xiàn)代科技能展現(xiàn)許多物理過程，但過于復(fù)雜的實驗裝置，魔術(shù)般的演示，會使學(xué)生茫茫然.其實，裝置愈簡單直觀，學(xué)生愈易抓住演示現(xiàn)象的實質(zhì)；演示越生動明顯，越能激發(fā)學(xué)生的興趣和探索精神.因此，演示實驗既要注意運用現(xiàn)代手段，更要重視不起眼的“原始”裝置，后者對能力的培養(yǎng)往往更為有利[2].

1.3 創(chuàng)造思維和邏輯思維能力的培養(yǎng)問題

利用演示實驗培養(yǎng)能力的途徑有兩種：通過對演示現(xiàn)象的分析、推理和歸納，建立物理概念或?qū)С鑫锢硪?guī)律，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力；應(yīng)用已有的知識構(gòu)思演示實驗，解釋演培養(yǎng)示現(xiàn)象，進行討論式教學(xué)，以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造思維能力[3].在教學(xué)實踐中教師總偏愛或習(xí)慣于前者，但應(yīng)該明白，創(chuàng)造性思維屬于高層次思維，對于分析解決問題而言，創(chuàng)造性思維能力更可貴，因此，對它的培養(yǎng)應(yīng)給予足夠的重視和加強.

2 一個成功的演示教學(xué)的實例

我們在大學(xué)物理自感現(xiàn)象教學(xué)中，經(jīng)常用到圖1的演示實驗[4]，當(dāng)電鍵K由閉合突然開啟時，小燈泡A并不立即熄滅，而是更亮的一閃后才熄滅掉.這是一個裝置簡單、直觀又生動的演示實驗，但高中物理作為講授自感現(xiàn)象的導(dǎo)入性實驗而演示過，重復(fù)演示將使學(xué)生感到索然無味.因此，在教學(xué)實踐中我們把它放在暫態(tài)電流和自感磁能內(nèi)容之后進行演示，邊演示邊引導(dǎo)學(xué)生討論，步驟如圖1-圖5.

圖1

圖2

圖3

圖4

2.1 學(xué)生的誤解

教師按圖1演示并提問：為何會更亮的一閃？學(xué)生幾乎一致認(rèn)為是電鍵開啟迅速，線圈中產(chǎn)生一很大的自感電動勢E L，開啟越快E L越大.這是一種錯覺，由第二步的演示證明:

2.2 抓住電流

如圖2，調(diào)R1，使I1≤I2，讓學(xué)生開啟電鍵K，無論如何加快動作均無閃光出現(xiàn).再調(diào)R1，使I1≥2 I2，緩慢開啟K，則可見明顯的閃光.這步演示啟發(fā)學(xué)生，必須抓住通過燈泡的電流來解釋閃光現(xiàn)象.令R1和R2分別表示線圈支路和燈泡支路的總電阻，K開啟后通過燈泡即通過線圈的電流為i=I1e，式中I1=E/R1.當(dāng)t=0時，有=n I2,該式表明，K開啟的瞬間通過燈泡的電流是K閉合時通過它的電流的n倍，n越大閃光越明顯.當(dāng)n≥2時，即I1≥2 I2，可觀察到明顯的閃光現(xiàn)象.但滿足I1≥2 I2就一定閃光嗎？該式中沒有顯現(xiàn)L的作用，是否在上述考慮中遺漏了什么呢？

2.3 能量觀點

首先演示：在第二步演示的基礎(chǔ)上抽去線圈鐵芯而保存其它條件不變，開啟K時則無閃光出現(xiàn).說明雖滿足I1≥2 I2，但L變得很小，也無閃光.分析如下：由自感磁能WM=L I2知，保持線圈電流不變，WM與L成正比，L越大線圈所儲磁能越大，因此在開啟K后方能給燈泡提供足夠的能量，使之更亮的一閃.抽去鐵芯，電流雖不變，但L已大大減小，使得所儲磁能太小，不足以令燈泡閃光.

2.4 EL的大小和過電壓

如圖2，K開啟后線圈中自感電動勢的大小究竟由哪些因素決定，是學(xué)生一直關(guān)心的問題.其實EL的大小可由定義式EL=-L求出，或由回路電壓方程得，該式表明，EL是t的函數(shù)，某時刻的值取決于回路的固有參數(shù)R1、R2、L和電動勢E.可見，“開啟K的動作越快E L越大”是錯誤的.K開啟的瞬時線圈兩端的電壓為,當(dāng)R2>>R1時有,可見UL>>E,在K開啟的瞬間線圈兩端的電壓比外加電壓大的多，稱為過電壓.

2.5 設(shè)計練習(xí)

練習(xí)可以鞏固、應(yīng)用以上討論的各個環(huán)節(jié).如本演示實驗完成后可設(shè)計如下練習(xí)：現(xiàn)有40 W鎮(zhèn)流器（直流電阻約20 Ω）2只，小燈泡（1.5 V，0.5 A）數(shù)只，0～30 Ω變阻器1只.問：（1）如何演示更亮的一閃？用多大的電源？（2）如何演示過電壓現(xiàn)象？對于問題（1），根據(jù)I1≥2 I2，和能量觀點考慮，學(xué)生大都能用圖3的電路演示.電源越強越好（磁能越大），但K閉合時通過小燈泡的電流必須小于0.5 A，否則，閃光時易燒壞小燈泡，故選用8～10 V的電源.

對于問題（2），大部分學(xué)生都錯誤的用圖4的電路演示，很容易計算，若不計電源的內(nèi)阻，K閉合時圖5所示電路儲的磁能是圖4的4倍，而K開啟的瞬間，由知道，圖5電路產(chǎn)生的過電壓是圖4電路的4倍.因此應(yīng)該用圖5所示電路來演示過電壓現(xiàn)象.

通過以上步驟的教學(xué)，從課堂氣氛看，學(xué)生思維活躍，興致很高；從教學(xué)效果看,學(xué)生對自感電動勢和暫態(tài)電流的規(guī)律，自感磁能等加深了理解，提高了分析問題和解決問題的能力.

總之，演示實驗是物理教學(xué)本身重要的組成部分.一個成功的演示實驗可以啟迪學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給學(xué)生留下深刻的印象.但成功的演示并非易事，它是教師教學(xué)創(chuàng)造性的體現(xiàn).

〔1〕王玉蓮，郭明磊，張永鋒，等.大學(xué)物理演示實驗教學(xué)探索和實踐[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報，2010，24 (4)：47—50.

〔2〕李凡生，余小英.自制大學(xué)物理演示實驗教具的研究與實踐[J].廣西民族師范學(xué)院學(xué)報,2011,28 (3):27-30.

〔3〕梁法庫，路峻嶺，汪榮寶.演示實驗在大學(xué)物理教學(xué)中的積極作用[J].物理與工程，2002，12(2)：28—30.

〔4〕路峻嶺.物理演示實驗教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

G 642

A

1673-260X（2012）07-0231-02

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校級重點設(shè)計性實驗項目（2008）