加深對(duì)物理實(shí)驗(yàn)優(yōu)化創(chuàng)新研究,促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)化

陳 棟

(灌云縣下車(chē)中學(xué),江蘇 灌云 222231)

對(duì)于實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)和基本技能操作的熟練程度,只是促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)化發(fā)展的基本模式、基本途徑和基本條件．在此基礎(chǔ)上,如果能對(duì)初中物理實(shí)驗(yàn)再進(jìn)行深入的思考、進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新,必然又將進(jìn)一步促進(jìn)教師專(zhuān)業(yè)化發(fā)展的步伐．

1 有對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考的意識(shí)和行為

案例1.蘇科版物理教材9年級(jí)上冊(cè)“活動(dòng)11.2:探究杠桿的平衡條件”．

思考1:杠桿為什么要調(diào)節(jié)到水平位置平衡?

圖1

2007年湖南省株洲市中考物理試卷有這樣一題:在機(jī)械制造中有一個(gè)給大飛輪定重心的工序,該工序的目的是使飛輪的重心發(fā)生微小的位移,以使它準(zhǔn)確位于軸心上．如圖1所示,一個(gè)質(zhì)量為M=80 kg、半徑為R=0.6 m的金屬大飛輪可在豎直平面內(nèi)繞軸心(圖中兩虛線的交點(diǎn))自由轉(zhuǎn)動(dòng)．用力推動(dòng)一下大飛輪,飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)若干周后停止．多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)飛輪邊緣上的標(biāo)記F總是停在圖示位置．

根據(jù)以上情況,可以初步確定飛輪重心P可能在圖中________．

(A) 軸心正下方的某一位置.

(B) 軸心左側(cè)的某一位置.

(C) 軸心右側(cè)的某一位置.

圖2

答案：(A),飛輪重心P可能在軸心正下方的某一位置,如圖2中的P點(diǎn)．

思考2:如何設(shè)計(jì)探究過(guò)程?

(1) 鉤碼和彈簧測(cè)力計(jì)的位置保持不變,改變鉤碼的數(shù)量.

(2) 鉤碼的數(shù)量和位置保持不變,改變彈簧測(cè)力計(jì)的位置.

(3) 鉤碼的數(shù)量和彈簧測(cè)力計(jì)的位置保持不變,改變鉤碼的位置.

操作步驟.

步驟1:將杠桿調(diào)節(jié)到水平位置平衡,如圖3所示,設(shè)左邊鉤碼對(duì)杠桿的拉力為阻力F2,左邊鉤碼對(duì)杠桿的拉力為動(dòng)力F1,通過(guò)改變兩邊鉤碼數(shù)量和位置,獲取4組數(shù)據(jù),填入表格(如表1).

圖3 圖4

圖5

步驟2:如圖4所示,鉤碼的數(shù)量和鉤碼的位置保持不變,改變彈簧測(cè)力計(jì)拉力的方向,使其分別向左和右傾斜,獲取2組數(shù)據(jù),填入表格.

步驟3:如圖5所示,鉤碼的數(shù)量和鉤碼的位置保持不變,改變彈簧測(cè)力計(jì)拉力的方向,使其分別保持豎直向上、向左和右傾斜,獲取3組數(shù)據(jù),填入表格.

表1 探究杠桿的平衡條件

感悟：此案例,筆者將教學(xué)過(guò)程中遇到的問(wèn)題、備課組討論的問(wèn)題,以及學(xué)生作業(yè)、考試中暴露的問(wèn)題進(jìn)行歸納、思考和探索,并且研究出一些想法．

2 有對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化的意識(shí)和行為

圖6

案例2：“探究紅外線熱效應(yīng)”的活動(dòng)(如圖6所示).

在實(shí)際教學(xué)中, 教師們普遍反映, 無(wú)法達(dá)到教材所預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象——溫度計(jì)的示數(shù)根本就不會(huì)改變．

為了突破這個(gè)難題,筆者查閱了相關(guān)資料,并且進(jìn)行了許多的嘗試和研究,發(fā)現(xiàn):將溫度計(jì)的玻璃泡涂黑,看不出現(xiàn)象;換用電子溫度計(jì)并且把探針涂黑,現(xiàn)象還是看不出;換用演示用的大三棱鏡,現(xiàn)象還是看不出．

改進(jìn)1:改進(jìn)“溫度計(jì)”——自制“空氣溫度計(jì)”,使現(xiàn)象放大更明顯(如圖7所示)．

圖7

考慮到經(jīng)過(guò)三棱鏡折射得到的紅外線強(qiáng)度較小,同時(shí)普通溫度計(jì)測(cè)溫液體比熱容和質(zhì)量都較大且玻璃泡向光面積較小,使得測(cè)溫液體的膨脹量少,導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯．針對(duì)以上缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)——自制“空氣溫度計(jì)”．這樣可以利用“氣體熱脹冷縮比液體更明顯”的特點(diǎn),將紅外線的熱效應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行放大．

圖8

改進(jìn)2：改進(jìn)紅外線獲取方式,使現(xiàn)象更明顯(如圖8所示)．

筆者經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn):在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中,使用的三棱鏡單個(gè)表面透光面積都比較小,導(dǎo)致折射得到的紅外線強(qiáng)度也較小．為了能使“紅外線的熱效應(yīng)”現(xiàn)象明顯顯示,第二個(gè)角度就是通過(guò)改進(jìn)獲取方式得到更多的紅外線,同時(shí)將其強(qiáng)度增加．

通過(guò)查閱相關(guān)資料獲知,CS2和CCl4(本身就是液體)都能很好地透過(guò)3.4 μm波長(zhǎng)的紅外光;球形容器注有液體后可以對(duì)光線具有匯聚作用．

這樣操作,既可以大大增加紅外線數(shù)量,同時(shí)也能將大量紅外線匯聚,使紅外線的熱效應(yīng)現(xiàn)象放大．經(jīng)過(guò)嘗試,將普通溫度計(jì)的玻璃泡用黑色碳素墨水涂黑(或?qū)㈦娮訙囟扔?jì)的探針涂黑)將其放置在A點(diǎn)右側(cè)緩慢移動(dòng),尋找紅外線的匯聚點(diǎn),很容易就發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)的示數(shù)有較大上升．

圖9

改進(jìn)3：改進(jìn)紅外光源,使現(xiàn)象更明顯(如圖9所示)．

筆者繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn):太陽(yáng)光譜上紅外線的波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光線,波長(zhǎng)為0.75～1000 μm．紅外線可分為3部分,即近紅外線,波長(zhǎng)為(0.75-1)～(2.5-3)μm之間;中紅外線,波長(zhǎng)為(2.5-3)～(25-40)μm之間;遠(yuǎn)紅外線,波長(zhǎng)為(25-40)～1000 μm 之間．如果天氣不好,或則其他原因,以上改進(jìn)無(wú)法滿足的情況下,可以通過(guò)改進(jìn)“紅外線光源”來(lái)完成實(shí)驗(yàn)．

可以替換太陽(yáng)光中紅外線的光源有:

(1) 白熾發(fā)光區(qū),又稱“光化反應(yīng)區(qū)”,由白熾物體產(chǎn)生的射線,自可見(jiàn)光域到紅外域．如白熾燈泡(鎢絲燈)．

(2) 鹵素?zé)羲l(fā)出的光95%在紅外線波長(zhǎng)的范圍之內(nèi),它能量特性基本上與紅外線燈相同．

(3) 熱體輻射區(qū),由非白熾物體產(chǎn)生的熱射線,如電熨斗及其它的電熱器等,平均溫度約在40 ℃左右．也可以將普通鐵球加熱之后替代．

以上前兩個(gè)“紅外光源”可以直接和改進(jìn)2進(jìn)行結(jié)合使用,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)非常明顯,而且可以使用普通溫度計(jì),玻璃泡涂黑．對(duì)于第三個(gè)“紅外光源”,以加熱后的鐵球?yàn)槔?可以進(jìn)行以下簡(jiǎn)單改進(jìn),如圖9所示．

感悟：在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些諸如案例6類(lèi)似的實(shí)驗(yàn),要么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常不明顯;要么不適宜演示;要么儀器太專(zhuān)業(yè)、太貴,無(wú)法普及．這時(shí),如果能對(duì)已有實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)和優(yōu)化,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù),同時(shí)也能為促進(jìn)教師的專(zhuān)業(yè)化發(fā)展提供又一條路徑．

3 有對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新的意識(shí)和行為

案例3：簡(jiǎn)單直流電動(dòng)機(jī)的模型.

此題為2013年連云港市初中物理實(shí)驗(yàn)技能大賽決賽題,全市80多位參賽教師,能成功使電動(dòng)機(jī)模型轉(zhuǎn)起來(lái)的只有寥寥3位．

筆者經(jīng)過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn),如此多的初中物理教師在這個(gè)“實(shí)驗(yàn)操作試題”上失敗,一則與時(shí)間緊張(20 min完成4個(gè)實(shí)驗(yàn),平均花在此題上的時(shí)間約為5 min),二則就是提供的漆包線與教材提供的不一樣——蘇科版教材中繞制線圈的是細(xì)漆包線,而比賽時(shí)提供的卻是0.8 mm直徑的漆包線．

如果按照教材的方式繞制線圈,必然會(huì)導(dǎo)致線圈質(zhì)量太大而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象;同時(shí),由于給定漆包線長(zhǎng)度也有限,很多教師在繞制完線圈后無(wú)法制作支架而以失敗告終;有幾個(gè)教師繞制了單匝線圈,但是由于沒(méi)有考慮平衡性,導(dǎo)致線圈無(wú)法持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),最終也失敗了．

筆者針對(duì)以上分析,通過(guò)研究制作了如下簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)模型．

模型1:原始模型——轉(zhuǎn)子加換向器(圖10).

器材準(zhǔn)備:0.5-0.8 mm直徑的漆包線(銅芯)20-30 cm 1根;1號(hào)或2號(hào)1.5 V干電池一節(jié);大號(hào)別針2個(gè)(1號(hào)電池配大號(hào)別針,2號(hào)電池配中號(hào)別針);強(qiáng)力磁體1個(gè)(圓形或則條形都可,淘寶商城有售,1.2-2元一個(gè));小刀1把;膠帶紙1卷(盡量稍微寬一點(diǎn)).

該方法雖然解決了線圈繞制帶來(lái)的問(wèn)題,但是仍然存在一個(gè)難題——漆包線兩端絕緣漆的“刮漆”問(wèn)題．有沒(méi)有什么方法可以避免這個(gè)問(wèn)題呢?筆者繼續(xù)研究,創(chuàng)新了下面第二種簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)模型．

圖10

模型2:簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)——無(wú)需換向器(圖11).

器材準(zhǔn)備:0.5-0.8 mm直徑的漆包線(銅芯)30-40 cm 1根(如果不是1號(hào)干電池,長(zhǎng)度可以減少);1號(hào)1.5 V干電池1節(jié)(1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)都可以);柱形強(qiáng)力磁體1個(gè)(或則3個(gè)紐扣型);小刀1把．

圖11

工作原理:在該設(shè)計(jì)中,由于左右兩根漆包線中的電流方向一樣、所處磁場(chǎng)方向一樣,所以所受磁場(chǎng)力方向也一樣,但是由于它們?cè)趦蛇?所以轉(zhuǎn)動(dòng)力矩方向也就一樣,從而可以使線圈持續(xù)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)而不需要換向器．特別要說(shuō)明的是,干電池的外殼也被強(qiáng)力磁體磁化了;強(qiáng)力磁體本身也起了導(dǎo)電的作用．

該方法可以將線圈兩端的絕緣漆全部刮除,同時(shí)也簡(jiǎn)化了線圈繞制和平衡問(wèn)題．那么有沒(méi)有徹底不需要線圈的簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)模型呢?筆者又進(jìn)行研究,又創(chuàng)新出了以下的第三種簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)模型．

模型3:創(chuàng)新電動(dòng)機(jī)——無(wú)需線圈.

器材準(zhǔn)備: 1.5 V干電池1節(jié)(1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)都可以);強(qiáng)力磁鐵片1個(gè)(例如:磁鐵片N42 D20X1mm,淘寶商城有售);鐵釘1枚(大小隨意);導(dǎo)線1根(最好是多股細(xì)線的導(dǎo)線)．

工作原理:如圖12所示,當(dāng)電路接通時(shí),電流就會(huì)沿OA方向流動(dòng),這時(shí)強(qiáng)力磁鐵片的徑向部分就會(huì)受到磁力作用,該力方向沿該點(diǎn)切線方向,從而使強(qiáng)力磁鐵片帶動(dòng)鐵釘一起連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)．同樣,鐵釘也被強(qiáng)力磁體磁化了;強(qiáng)力磁體本身也起了導(dǎo)電的作用．

圖12

感悟：通過(guò)本案例,筆者認(rèn)為:如果初中物理教師們?cè)谄綍r(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,多一點(diǎn)創(chuàng)新意識(shí)、多一點(diǎn)創(chuàng)新嘗試、多一點(diǎn)創(chuàng)新制作和研究,那么對(duì)于初中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣的提高、方式的改變和能力的增強(qiáng)必定會(huì)有一定的引領(lǐng)和促進(jìn)作用;同時(shí),對(duì)于教師自身的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)能力和專(zhuān)業(yè)發(fā)展也必定起到一個(gè)積極的促進(jìn)作用．對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新,自制教具等題材,也是促進(jìn)教師的專(zhuān)業(yè)化發(fā)展的又一條路徑．