談物理課外實驗與小制作的設計,培養科學探究能力

谷春生

(安徽省阜陽市第三中學,安徽阜陽 236006)

物理課外實驗與小制作是物理課外活動的重要組成部分.它的著力點在于培養學生的創新意識、觀察能力、動手能力、探究能力等等.這種形式有利于基礎物理教育從應試教育向素質教育的轉化,有利于學生個性的發展和智力的開發,更有利于創新拔尖人才的培養.隨著高中新課程改革的全面推開,科學探究已成為當前基礎教育課程改革的熱點、亮點和難點.而物理課外實驗與小制作的設計,是培養學生科學探究能力的重要組成部分,這就迫切要求教師要善于吸收教育科學及所教學科的最新成果,拓寬自己的知識面,挖掘出教材所蘊涵的探究性因素,精心設計或啟發學生設計相應的課外實驗與小制作,把學生置于開放、多元的學習環境中,確立起學生在學習中的主體地位,增進獨立思考能力,啟迪創新思維,培養學生的科學探究能力,使其逐步形成科學態度與科學精神.

物理課外實驗與小制作的設計,可分為學生自主設計、教師啟發設計、教師指導設計三種形式.較易的實驗可由學生自主設計,稍難一點或運用知識點稍多的實驗可在教師的啟發協助下由學生設計完成,較難的實驗或制作可由教師指導學生設計,按照教師的意圖鼓勵學生略有創意地設計完成.

課外實驗與小制作的設計應遵循趣味性強、取材容易、制作簡單、經濟可行的原則.基本以教材知識為切入點,可適當做些引申和拓寬,以豐富學生的知識面,提升他們熱愛科學的志趣.下面略舉幾個案例,以求拋磚引玉.

案例1.會爬動的紙蛇(本案例較簡單,可列出材料讓學生自主設計完成)

器材:吸墨紙、剪刀、一杯水、滴液管、筆等.

制作與操作:在紙上畫出一條蛇的形狀,然后用剪刀沿著蛇的形狀剪下來.將剪下的紙蛇折出一條條褶皺,然后平置于地上.用滴液管將一滴水滴在紙蛇的褶皺上,仔細觀察,不一會兒神奇地發現紙蛇向前動了起來,如圖1所示.

圖1

知識鏈接:毛細作用和擴散現象等.

物理原理:當把水滴在紙蛇的褶皺處時,因為紙纖維的毛細作用,水很快就會向四周擴散,褶皺處跟著就會擴展開來.就這樣,一個褶皺一個褶皺地傳遞,便會看到紙蛇在地上爬動起來.

案例2.發光的冰糖(本案例稍難一點,運用的知識點較多,可在教師的啟發協助下,由學生設計完成)

器材:透明厚塑膠袋、大量冰糖塊、細繩、搟面杖等.

制作與操作:將冰糖放入透明厚塑料袋中,扎緊袋口.然后將冰糖袋放在桌面上,拉上房間的窗簾,形成一暗室,再用一搟面杖來回搟壓冰糖袋,仔細觀察,袋里的冰糖神奇地發光了.

知識鏈接:晶體摩擦、活躍分子、能級躍遷、釋放光子等.

物理原理:晶體發生摩擦時會產生亮光.這是因為冰糖晶體在搟面杖的來回擠壓下會破碎成片,冰糖晶體被粉碎過程中,由于摩擦產生靜電導致發光,所以看起來冰糖就發光了.

案例3.打火機發電(本案例屬于較復雜的小實驗,可在教師的指導下設計完成)

創設情境,引出問題:液體打火機是一種小巧的取火器.當你按下帶有放電裝置的打火機時,打火機里的放電裝置就會產生電火花.同時部分液化氣體跑出來,就會被點燃,形成火焰.打火機既然有放電裝置,它能不能用來發電呢?

器材:一個液化氣體打火機、一把螺絲刀、一盞15 W的螺口白熾燈泡等.

制作與操作:用螺絲刀小心翼翼地打開打火機,取出開關部分的零件,這個零件叫做“壓電素子”,如圖 2所示.然后左手握住15 W的螺口白熾燈的燈泡部分,右手握著壓電素子,并使壓電素子的尖端部分緊貼著白熾燈接頭的底端.按一下壓電素子,就可以看到燈泡也會閃亮一下,如圖3所示.

圖2

圖3

知識鏈接:壓電素子、尖端放電等.

物理原理:壓電素子中裝有一個叫做壓電陶瓷的放電裝置,它能在瞬間產生104V的高壓.所以按動壓電素子時,與它相連的燈泡會閃亮.日常生活中的燃氣灶點火裝置、摩托車打火裝置、汽車點火的裝置——火花塞,點火時也都相當于按動打火機的壓電素子,都是這個道理.

案例4.氣球摩擦日光燈發光(本案例屬于較復雜的小實驗,可在教師的指導下設計完成)

器材:一只氣球、一根細繩、一根日光燈管、一塊抹布等.

制作與操作:取一只氣球吹鼓后,用細繩扎緊.用抹布將日光燈管擦凈擦干,在一個暗室內將日光燈管的一端立在地板上.一只手扶住燈管,另一只手拿著氣球將其按在燈管上快速上下摩擦,觀察燈管的情況,如圖4所示.結果神奇地發現,燈管開始發光,而且不管氣球靠近燈管的哪個位置,燈管的那個位置就會開始發光.

知識鏈接:日光燈原理、水銀蒸氣電離發出紫外線、摩擦起電、熒光物質發出可見光等.

物理原理:日光燈管是一根玻璃管,內壁涂有一層熒光粉(鎢酸鎂、鎢酸鈣、硅酸鋅等),不同的熒光粉可發出不同顏色的光.燈管內充有稀薄的惰性氣體(如氬氣)和水銀蒸氣,燈管兩端有由鎢制成的燈絲,燈絲上涂有受熱后易于發射電子的氧化物,如圖5所示.

圖4

圖5

日光燈的工作原理:當開關接通的時候,電源220 V的電壓立即通過鎮流器和燈管燈絲加到啟動器的兩極.220 V的電壓立即使啟動器中充入的惰性氣體——氖氣電離,產生輝光放電.電流通過鎮流器、啟動器觸極和兩端燈絲構成通路.燈絲很快被電流加熱,發射出大量電子.輝光放電產生的熱量使雙金屬片——動觸片、靜觸片受熱膨脹,致使兩極接觸.此時,由于啟動器兩極閉合,兩極間電壓為零,輝光放電驟然停止,管內溫度降低;雙金屬片自動復位,兩極斷開.在兩極斷開的瞬間,電路電流突然切斷,鎮流器產生很大的自感電動勢,與電源電壓疊加后作用于管兩端.燈絲受熱時發射出來的大量電子,在燈管兩端高電壓作用下,以極大的速度由低電勢端向高電勢端運動.在加速運動的過程中,碰撞管內氬氣分子,使之迅速電離.氬氣電離生熱,熱量使水銀產生蒸氣,隨之水銀蒸氣也被電離,并發出強烈的紫外線.在紫外線的激發下,管壁內的熒光物質便發出乳白色的可見光來,如圖6所示.

圖6

當手持氣球在燈管壁上快速上下摩擦時,也會有同樣的現象發生,只不過發光的范圍更小.當氣球與燈管摩擦時,根據摩擦起電的原理,氣球表面的電子增多,使日光燈管中的電場發生變化,從而形成燈管內的電荷重新分布,造成電荷定向移動.隨著氣球在燈管壁上快速地上下摩擦,燈管內電荷也快速上下定向移動,在快速定向移動的過程中,電荷碰撞管內氬氣分子,使之迅速電離.氬氣電離生熱,熱量使水銀產生蒸氣,隨之水銀蒸氣也被電離,并發出微弱的紫外線.在紫外線的激發下,燈管內壁的熒光物質便發出微弱的可見光來.

總之,課外實驗與小制作的設計及其實施過程,有利于提高學生學習物理的興趣,增強創新意識和實踐能力.通過設計能串聯中學物理中的許多知識點,使其分布于趣味性極強的探究實驗的網絡之中,使學生在愉快中感受物理、學習物理,可以更好地培養他們的科學探究能力,使其逐步形成科學態度與科學精神.

1 人教社物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書?物理.北京:人民教育出版社,2007.

2 于啟齋.身邊科學小實驗.上海:上?？萍汲霭嫔?2006.