固體金屬受熱膨脹實驗中放大原理的應用

柏海宵

摘要： 中學物理教學對演示實驗要求具有可見度大、清晰度高、簡易方便等方面的要求。本文探討了“固體金屬受熱膨脹實驗”中利用杠桿原理對金屬棒受熱伸長量的一次、兩次等多次放大，提高其可視化程度，以此探討放大原理在中學物理教學演示實驗中所起的重要作用。

關鍵詞： 中學物理實驗放大原理實驗可視化固體金屬受熱膨脹實驗

物理學是自然科學中一門建立在實驗基礎上的學科，實驗教學是中學物理教學的重要組成部分，是物理教學的靈魂。因此，中學物理實驗也成為培養學生科學的觀察、實驗能力，科學的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。正如李政道先生所說：“教物理重要的是讓學生懂道理……”[1]根據中學物理教學的目的和教學大綱的基本要求，在中學物理實驗的教學過程中應使學生在科學實驗的基本方法上有一個實在的感受，從而培養他們的探索精神和創造性，并受到科學方法的教育。

1.中學物理實驗的重要性

物理學的形成與發展是以實驗為基礎的。物理學的研究方法通常是在觀察和實驗的基礎上，對物理現象進行分析、抽象概括和總結，從而建立物理定律，進而形成物理理論，再回到實驗中去經受檢驗[2]。實驗是物理科學的基礎，也是物理知識的源泉。加強物理實驗既是物理教學的時代特征，又是提高物理教學質量的先決條件。

學生實驗是理論聯系實際，具體與抽象相結合教學原則的重要實施方法。通過實驗能幫助學生總結和驗證物理規律，更好地從形象思維向抽象思維過渡。在實驗過程中學生親自動手操作，邊觀察邊測定，邊思考分析歸納，手腦并用，能培養學生觀察能力和分析問題的能力和一絲不茍的嚴謹學風[3]。加強物理實驗教學，是提高物理教學質量的有效途徑，對提高學生抽象邏輯思維能力很有幫助，能為今后學習物理知識打下堅實基礎[4]。

2.中學物理教學對演示實驗要求

2.1實驗要符合學生認知結構。

所謂認知結構就是存儲于個人長時記憶系統內的陳述性知識和程序性知識。認知結構的一個重要特征涉及學生面對新任務時，他頭腦中是否有與新的學習相關的概念或原理及其概括程度。原有相關概念或原理概括度越高，包容范圍越大，遷移的能力即學習新知識的能力越強。所以教師要選擇符合學生認知結構的實驗。如初中物理中演示“停止沸騰的水，氣壓減小時會發生什么現象”，顯示氣壓減小是實驗設計的難題。此實驗若采用“在圓底燒瓶上澆冷水”的方法來演示，雖然沸騰現象清晰、效果明顯，但學生不容易接受再沸騰現象是由壓強減小引起的，因為初中生缺乏氣體的壓強跟溫度的關系等知識。只要對原裝置稍加改進，巧妙地運用噴泉現象，通過噴泉來強化氣壓確實減小這一事實，就能化解實驗難題。

2.2實驗目的要明確。

演示實驗是教學內容的有機組成部分，必須密切結合課題進行。根據不同的教學內容和要求，選擇合適的實驗，合理地進行實驗，以便讓學生清楚地掌握物理概念和物理規律。例如，在講授“平拋運動”這一節課的內容時，我們可以選擇的演示實驗就比較多，如拋出的粉筆頭、桌上滾落的玻璃球、水流的噴射、平拋運動演示儀，等等，其目的就是讓學生認識和理解“平拋運動可以看做是水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合成”這一規律。

2.3實驗現象要明顯。

演示實驗不僅要現象清楚，而且要面向全體學生。教師要想方設法增大演示實驗的可見度。為了使實驗現象明顯，儀器的尺寸要比較大，尤其是觀察部分的尺寸要大、刻度線條要粗，要使教室內最遠的同學也能看清。這樣做演示的精密度雖有所降低，但可以用感受效果來彌補，必要時可以借助投影、機械放大、光杠桿、放大電路等手段增強現象的明顯性，增強觀察效果。

但中學物理課本中有些實驗的演示效果卻不符合上述要求。例如：自感現象演示實驗、光電效應實驗、金屬受熱膨脹等實驗現象極不明顯。那么，能否通過某種手段來提高實驗現象的清晰度呢？完全可以。我們可以針對不同類型的實驗，依據放大原理設計出切實可行的實驗裝置。以下就以金屬受熱膨脹實驗為例討論放大原理在中學物理實驗教學中的應用。

3.固體金屬受熱膨脹實驗改進

在教學中常有學生問，既然金屬受熱會膨脹，我們加熱金屬棒時，怎么就看不見它變長或變粗了呢？這是因為金屬的熱膨脹系數特別小，一般在10■數量級上。例如在20℃常溫情況下，鐵的線脹系數為11.8×10■cm℃■，金的線脹系數為14.2×10■cm℃■，銅的線脹系數為16.7×10■cm℃■。也就是說，加熱一根20cm的鐵或金或銅棒使其溫度升高300℃，其伸長距離分別為：0.07cm、0.08cm和0.1cm。可見，單憑肉眼很難觀察到這微乎其微的變化。要想將它直接搬上實驗講臺更是難上加難。但我們可以通過杠桿原理（此處且稱之為放大原理）增強其實驗現象。實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖中M為選擇用來進行實驗的金屬棒（最好選擇鉛棒，它的線脹系數較大，為28.7×10■cm℃■，且易加工，易購置）。將其右端固定，左端與指針AD接觸于B點（AB的距離為2cm）但不固定。指針AD的A端固定，D端與指針CE接觸于D點（CD距離為2cm）但不固定。指針CE的C端固定。其中，指針AD和指針CE均為30cm。N為一個刻度盤，用來觀察金屬受熱膨脹的程度。這樣我們就對金屬受熱膨脹程度進行了二次放大。現在來估算一下放大的程度。

圖1實施裝置結構圖

圖2放大原理示意圖

如圖2所示，由于金屬受熱膨脹伸長的距離BB′很小，故可以認為：AD=AD′，AB=AB′。根據△AB′B≌△AD′D可得■=■。設BB′=x，DD′=x′，AB′=AB=2cm，AD′=AD=30cm。可得：x′=15xcm。再根據△CD′D≌△CAE可知■=■，從而得出：AE=16x′=240xcm。假若選取20cm長的鉛棒作為實驗材料，那么使其溫度由室溫提高100℃則其伸長量x=0.057cm，指針CE偏移距離AE=13.7cm，伸長量足足240倍。若要進一步提高實驗放大倍數可減小AB或CD的距離，也可進行三次、四次等放大。但考慮到要盡量使實驗裝置簡單，故最好采用第一次放大法。

4.結語

物理實驗是激發學生學習物理積極性的重要手段，是培養學生觀察、思維能力發現物理規律的重要途徑，是培養學生動手操作能力和科學探索精神的重要手段，因此教師應特別注意在物理教學中充分利用實驗來調動學生學習物理的興趣，在積累知識的過程中充分感受物理為他們帶來的樂趣[9]。加強物理實驗教學是提高物理教學質量的十分有效的途徑，能為學習中學乃至大學物理知識打下堅實基礎。因此，在物理教學中，應大力推廣并加強物理實驗教學，從而進一步提高教學質量。本文以金屬受熱膨脹實驗為例討論放大原理在中學物理實驗教學中的應用，通過杠桿原理對金屬棒受熱伸長量的兩次放大，金屬棒伸長度被放大了240倍，提高金屬受熱膨脹的可視化程度以達到中學物理教學對演示實驗的要求，同時具有造價低廉、儀器結構簡單、實驗操作方便等特點。

參考文獻：

[1]何春艷.淺談中學物理實驗教學[J].教學儀器與實驗，2009（12）：48-51.

[2]高延華，閆保權.對中學物理實驗教學的幾點思考[J].新西部基礎教育專題，2007（10）：35-39.

[3]王健俊，羅道斌.實驗在中學物理教學中的重要作用[J].內蒙古電大學刊，2007（5）（總第93期）：112-116.

[4]肖培亮.演示實驗在物理教學中的不可替代性[J].濮陽職業技術學院學報，2004（2）：59-63.