晶體和非晶體導熱性能比較實驗的探討

鄭少山,李春密,李正福

(1.河西學院物理科學與電子技術系,甘肅張掖734000;2.北京師范大學物理系,北京100875)

晶體和非晶體導熱性能比較實驗的探討

鄭少山1,李春密2,李正福2

(1.河西學院物理科學與電子技術系,甘肅張掖734000;2.北京師范大學物理系,北京100875)

針對“晶體與非晶體導熱性能比較實驗”成功率不高的問題進行研究,給出了典型材料的對比實驗結果,并深入探討了影響實驗的關鍵因素,同時對新課程中的實驗研究進行了分析和反思.

晶體;非晶體;導熱

1 引 言

普通高中課程標準實驗教科書(人民教育出版社)《物理》選修3-3第9章第1節“晶體與非晶體”中有個實驗[1],用以演示晶體與非晶體的導熱性質不同.教材采用燒熱的鋼針接觸涂有蜂蠟的云母片和玻璃片的背面,分別得到了橢圓和圓形的蜂蠟熔化區域,由此說明云母和玻璃導熱性能存在著差異,進而給出晶體(如云母)導熱性能各向異性、非晶體(玻璃)導熱性能各向同性.但是有不少教師反映,按照課本的做法,實驗現象并不明顯.有鑒于此,我們對此實驗進行了研究,并將實驗過程及操作要點整理出來,以便交流.

2 實驗器材和裝置

蜂蠟、石蠟、云母、玻璃、25 W電烙鐵、鐵架臺、升降支架、直徑2 mm銅絲20 cm左右、U型片.實驗裝置如圖1所示.

主要實驗器材的作用:

1)恒溫點熱源的制作.將銅絲的一端纏繞在電烙鐵上,另一端留置7～8 cm,并打磨成針狀,以點熱源的形式通過接觸云母或玻璃熔蠟.注意,點熱源的針身長度要與電烙鐵的功率相匹配,針身過長,銅絲散熱過快;針身過短,電烙鐵輻射影響蜂蠟熔化.

2)云母或玻璃的安放.U型片作為夾具,用來夾住玻璃或云母,便于水平固定.也可尋找其他代用品,筆者用氣墊導軌上的遮光片代用.

圖1 實驗裝置

3)熱源的固定.升降支架用來固定電烙鐵,方便電烙鐵的升降,根據需要將點熱源與云母(玻璃)接觸或者分離,同時在實驗中保證針狀點熱源與云母(玻璃)接觸點穩定.

3 實驗步驟與操作

蜂蠟或石蠟的涂覆是實驗的關鍵操作,其他不需要贅述.在實驗中云母上采用了刮涂法,玻璃上采用熱熔法.

刮涂法即先將小塊的蜂蠟或石蠟放在云母上,將云母放置在水平桌面上(桌面應該是硬質的或在桌面上放玻璃),用電吹風熱風將蜂蠟或石蠟烤軟,用壁紙刀在云母上刮涂形成一層薄膜.刮涂時應盡量使厚度均勻,同時刮涂應在各個方向上都做一次,避免出現某些點刮涂不上的情況出現.刮涂形成薄膜后待其冷卻,用鋒利的壁紙刀片垂直于薄膜刮削使薄膜的厚度達到合適且均勻,見圖2.

圖2 云母片的涂覆

熱熔法即將小塊的蜂蠟或石蠟放置于玻璃上,將玻璃水平放置在桌面上.放了蜂蠟或石蠟的那一段玻璃放于桌邊緣外,用電吹風在玻璃下面加熱,將蠟烤熔,使蠟在本身表面張力下冷凝后在玻璃上形成薄膜,見圖3.

圖3 玻璃片的涂覆

參照圖1,將實驗儀器搭接好后,就可以給電烙鐵通電開始實驗了.

4 實驗結果

實驗用蜂蠟和石蠟進行了對比,說明蜂蠟和石蠟用來實驗均可.二者的區別僅是在薄膜厚度較小的情況下,蜂蠟較石蠟透明度差,涂在云母上較容易觀察,見圖4～5.蜂蠟和石蠟的熔化過程如圖4～7所示.

圖4 涂覆云母上蜂蠟的熔化過程

圖5 涂覆云母上石蠟的熔化過程

圖6 涂覆玻璃上蜂蠟的熔化過程

圖7 涂覆玻璃上石蠟的熔化過程

5 分析和思考

5.1 實驗分析

由實驗結果照片可以看出,云母和玻璃導熱是有明顯區別的,尤其是燒熔最大區域的比較有很明顯的不同.一個近似是橢圓,另一個近似是圓,由此比較可得云母和玻璃導熱的差異性.但從圖片上看出一個問題,玻璃的圓似乎有一點偏心,這是實驗中玻璃水平度控制不好,有一點斜度造成的.

實驗由于可視范圍較小及采用了支架等原因,學生觀察不方便.該問題應用多媒體技術可較好地解決,這里不再多述.

本實驗難點之一是蠟的涂覆,實驗中同時用了蜂蠟和石蠟,文中介紹了2種涂覆方法,云母涂覆用了刮涂法,玻璃涂覆用了熱熔法.但這不是必須的,2種方法交換也是可以的.實際上涂覆的方法還有很多,例如將蠟溶解于溶液中制成蠟溶液涂在云母和玻璃上,教學中教師完全可以讓學生去探究尋找更好的方法.關鍵是涂覆均勻且厚度合適就可以達到實驗的要求.

5.2 思考和啟發

在實驗的過程中,筆者思考了這樣一個問題,在教學中如何使用課本?課本是重要的教學資源,但不是惟一.若視課本為惟一,使每一個學生都得到發展就不可能實現,物理教學也就會變得乏味和單調,使生動的物理學變成一堆死的公式和記憶的程式.這也是造成我國教育千校一面的原因之一.課本給教師留下開發的空間,才可能使教學具有生成性,才可能滿足不同學生發展的需求,才有可能滿足個性化教學的需要.課本預留了空間,探究才有了意義,更會使課堂探究生動以及引發學生探究的興趣.而這正是課程改革所追求的.所有這一切都給教師帶來了新的挑戰,在新課程教學中,教師不僅要轉變課程實施觀念,同時,也應該有與新課程對應的課程觀、教材觀.

本實驗教材所給僅僅是一個指導性的方法,關鍵在于使用教材時要正確地理解和把握.教材是一種教學資源,不應該將其視為教學手冊,指導性意義應該更多一些,尤其是在新課程當中,這種傾向更強一些.所以本文在前面敘述時采用了“教材指導方法”的說法.筆者認為對課本中此實驗正確的理解應為材料可用云母和玻璃(晶體和非晶體),顯示導熱差異性可用蜂蠟,燒熔用接觸點熱源.至于實驗過程及操作中的注意事項等問題,教材并沒有給予非常具體的解釋,例如云母和玻璃上蜂蠟的涂覆及如何去燒熔等,這些都給教學中教師帶領學生探究留下了很大的空間.實驗中除了正確認識教材的指導方法外,實驗的關鍵之處也是關系實驗成敗的主要因素.筆者認為關鍵處如下:1)云母片要薄;2)燒熔材料蠟的涂覆要均勻且薄厚有一定要求;3)燒熔熱源是點源且燒熔過程中接觸點要穩定;4)燒熔過程中要盡量使云母片和玻璃保持水平.

筆者認為課本中安排的晶體與非晶體導熱實驗有獨到之處,預留了教師開發教材的空間,有學生探究的空間,留下了在教學中引導學生去創新的空間.

[1]人民教育出版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[M].北京:人民教育出版社,2008.

[2]李春密.中學物理實驗技能訓練[M].天津:天津教育出版社,2006.

[3]安忠,劉炳升.中學物理實驗教學研究[M].北京:高等教育出版社,1986.

[責任編輯:尹冬梅]

Analysis on the thermal conductivity experiment of crystal and amorphousmatters

ZHENG Shao-shan1,L IChun-mi2,L IZheng-fu2
(1.Department of Physics,Hexi U niversity,Zhangye 734000,China;2.Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

For the low success rate of the comparative experiment of thermal conductivity of crystal and amo rphousmatters,the resultsof the experiment on typicalmaterialsw ere given,and the critical factors of the experimentwere discussed.A t the same time,the experimental research in the New Course was analyzed and reflected.

crystal;amorphousmatter;thermal conductivity

G633.7

B

1005-4642(2011)01-0025-03

2010-06-28

鄭少山(1962-),男,甘肅臨澤人,甘肅河西學院物理科學與電子技術系副教授,學士,從事物理課程與教學論教學、研究.

李春密(1966-),男,河北遷安人,北京師范大學物理系教授,博士,主要研究物理課程與教學論和學科發展能力.