自制實驗演示儀——探究光與熱的關(guān)系

呂啟剛 王文斌

教學(xué)背景

光與熱關(guān)系實驗，是通過觀察光（主要指太陽光）的強弱變化對氣溫變化的影響，從而得出光的強弱和溫度的關(guān)系。然而在實際教學(xué)中，如果碰到陰雨天，實驗就無法進行。即使有太陽，但如果太陽時隱時現(xiàn)或有較大的風(fēng)，都會影響實驗的效果和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其實，許多光源在發(fā)光的同時也在發(fā)熱，比如白熾燈、蠟燭等，因此我們可以在教學(xué)實驗中用白熾燈代替太陽來作光源。

我們可以自制教學(xué)儀器：用光線傳感器檢測光線的亮度;用溫度傳感器檢測溫度;用鏡子把燈泡的光反射到板上，使傳感器的亮度更高;掌控板則可以實時顯示亮度和溫度的值，而且還能通過網(wǎng)絡(luò)在電腦屏幕上顯示。自制光與熱關(guān)系實驗演示儀不僅解決了前面的諸多問題，還可以使學(xué)生更直觀地觀察光線和溫度的變化，提升綜合素質(zhì)。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能 了解許多光源在發(fā)光的時候也在發(fā)熱;知道太陽是地球最大的光源和熱源;認(rèn)識光線的強弱和溫度的關(guān)系，光越強溫度越高，光越弱溫度越低。

過程與方法 能對光和熱的關(guān)系作出推測;通過實驗觀察，對比探究光與熱的關(guān)系;整理獲得的信息，根據(jù)實驗的數(shù)據(jù)繪制出折線統(tǒng)計圖;自覺地將實驗結(jié)果和假設(shè)進行對照。

情感態(tài)度與價值觀 認(rèn)識到自然事物之間是有聯(lián)系的，自然事物的變化是有規(guī)律的;了解人們只有掌握了自然規(guī)律才能更好地生產(chǎn)和生活;理解實事求是地記錄觀察數(shù)據(jù)是科學(xué)探究的重要方法。

教學(xué)重點與難點

教學(xué)重點 親歷實驗過程，能通過數(shù)據(jù)比較和分析，解釋光和熱的關(guān)系。

教學(xué)難點 細(xì)心觀察，耐心記錄數(shù)據(jù)，繪制出比較準(zhǔn)確的折線統(tǒng)計圖。

教學(xué)準(zhǔn)備

一、光與熱關(guān)系實驗演示儀的制作

1.準(zhǔn)備材料

掌控板1個，掌控板擴展板1個，溫度傳感器1個，光線傳感器1個，底座可以旋轉(zhuǎn)的鏡子5個，白熾燈和燈座各1個，開關(guān)1個，亞克力板2塊，木料、螺絲帽若干。

2.搭建裝置結(jié)構(gòu)

運用木料和螺絲帽搭建木質(zhì)支架，然后將5面底座可以旋轉(zhuǎn)的鏡子固定在木質(zhì)支架上，便于自由選擇使用幾面鏡子進行反射。光源采用發(fā)熱量較大的100W白熾燈泡，燈泡前面架設(shè)一塊白色亞克力擋板，白色一面增強反光，黑色一面阻擋光線透過亞克力板。儀器最后支起一塊白色屏幕，可以清楚地辨別不同數(shù)量鏡子反射的光線的強弱，屏幕中間固定一個光敏電阻傳感器和熱敏電阻傳感器，可以迅速感知亮度和溫度的微弱變化，兩個傳感器通過數(shù)據(jù)線分別連接掌控板的P1和P2，從而在掌控板屏幕上清楚地顯示亮度和溫度的數(shù)據(jù)。儀器具體結(jié)構(gòu)如圖1。

3.編寫程序

硬件準(zhǔn)備完畢，就需要編寫程序來實現(xiàn)功能。掌控板的程序如圖2，需要實現(xiàn)的主要功能有Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)、亮度溫度獲取，并在掌控板的OLED屏中實時顯示亮度溫度，同時發(fā)送數(shù)據(jù)到TinyWebDB服務(wù)器。

掌控板通過Wi-Fi可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到TinyWebDB服務(wù)器，在網(wǎng)上實時存儲亮度和溫度的數(shù)據(jù)，然后用Mind+在實時模式下讀取TinyWebDB服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，每隔一秒讀取一次，在舞臺上實時顯示，并同步存儲到列表中。Mind+實時模式下的程序如圖3。

等實驗結(jié)束，教師還可以把列表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，再復(fù)制到Excel中，生成更加豐富的統(tǒng)計圖表，便于學(xué)生觀察對比。

二、準(zhǔn)備教學(xué)課件

教師在網(wǎng)上查找光與熱關(guān)系資料，下載人工孵化小雞相關(guān)圖片及短視頻《自制雞蛋孵化器》，結(jié)合這些資料制作教學(xué)課件。

教學(xué)過程

一、情境導(dǎo)學(xué)

教師播放短視頻《自制雞蛋孵化器》。

師：孵小雞的主要條件是什么？為什么孵化箱里面有一盞燈？是拍攝時用來補光的嗎？

學(xué)生討論孵化箱里燈的作用。

師：生活中，燈泡一般是用于照明的，那么燈泡發(fā)光和發(fā)熱有什么關(guān)系呢？你的猜想是什么？

學(xué)生討論交流，對光與熱之間的關(guān)系提出假設(shè)。

二、初步感知光與熱

教師出示實驗裝置上的100W白熾燈，邀請兩位學(xué)生上講臺體驗。學(xué)生把手放在靠近燈泡的位置（注意千萬不能碰到燈泡，燈泡打開后會很熱，容易燙傷手），教師打開燈，讓學(xué)生感覺一下手心溫度的變化;再引導(dǎo)學(xué)生將手由遠(yuǎn)及近慢慢靠近燈泡，感知手心溫度的變化。

學(xué)生得出結(jié)論：燈泡通電后會發(fā)光，發(fā)光的同時也在發(fā)熱，離燈泡越近溫度越高，碰到白熾燈可能還會燙傷人。

三、深度實驗探究

師：光線的強弱跟溫度的關(guān)系具體是什么樣的呢？我們用儀器和數(shù)據(jù)說話。老師特地制作了一個實驗儀器——光與熱關(guān)系實驗演示儀，有了它，我們可以直觀地觀察光線和溫度的數(shù)據(jù)變化。

1.操作實驗

教師請學(xué)生上臺操作，并輔助其開展實驗。先用1面鏡子對準(zhǔn)傳感器，稍后是3面、5面。等溫度上升到穩(wěn)定狀態(tài)，關(guān)閉燈泡，停止實驗，溫度下降。

師：接下來我重新邀請兩名同學(xué)來操作實驗，其余同學(xué)請根據(jù)屏幕上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)填寫實驗記錄，稍后繪制折線統(tǒng)計圖。

教師隨機邀請兩名學(xué)生，重復(fù)操作實驗，先用肉眼觀察白板上不同數(shù)量鏡子反射的光線強弱的變化，再通過大屏幕觀察光線強弱和溫度高低的數(shù)據(jù)變化，如圖4。學(xué)生依據(jù)屏幕顯示記錄數(shù)據(jù)，并嘗試?yán)L制折線統(tǒng)計圖。

2.數(shù)據(jù)導(dǎo)出與整理分析

教師導(dǎo)出掌控板中的數(shù)據(jù)，然后復(fù)制到Excel表中，并展示給學(xué)生觀察分析。

師：通過這組實驗數(shù)據(jù)，你發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？結(jié)果和你的假設(shè)一致嗎？

學(xué)生討論交流。

教師將Excel表中數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制豐富的折線統(tǒng)計圖，幫助學(xué)生更加清晰地看到數(shù)據(jù)變化走勢，明確光線強弱和溫度高低的關(guān)系。

師：請大家看一看、比一比，分析自己畫的折線統(tǒng)計圖與Excel生成的折線統(tǒng)計圖的區(qū)別。

學(xué)生觀察、對比、分析，若有錯誤之處及時修改訂正，保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、交流拓展

師：通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)探究，你明白了什么？有什么收獲？

學(xué)生交流分享，進一步鞏固知識。

教師小結(jié)：光和熱改變了我們的生活，課后大家可以通過觀察生活、網(wǎng)上查詢等途徑，收集古今中外和現(xiàn)實生活中巧妙利用光和熱的例子，整理成文檔，我們相互交流分享。

教學(xué)反思

光與熱關(guān)系實驗演示儀使用了靈敏度較高的電子元器件，不管是溫度還是亮度，一切用即時生成的數(shù)據(jù)說話，說服力強，可靠性高，發(fā)揮出信息技術(shù)在輔助科學(xué)實驗上強有力的優(yōu)勢。在科學(xué)實驗過程中，學(xué)生既可以比較表格中即時生成的有關(guān)亮度和溫度的數(shù)據(jù)，也可以觀察經(jīng)過加工處理的折線統(tǒng)計圖，有助于學(xué)生更好地應(yīng)用數(shù)學(xué)知識，比較和分析數(shù)據(jù)，有效檢驗自己的假設(shè)，教學(xué)效果十分顯著。本課例涵蓋了科學(xué)、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等學(xué)科知識，發(fā)揮了STEAM教育的優(yōu)勢，提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維、實踐能力和綜合運用學(xué)科知識的能力。