加深對物理實驗優(yōu)化創(chuàng)新研究,促進教師專業(yè)化

陳 棟

(灌云縣下車中學(xué),江蘇 灌云 222231)

對于實驗理論知識和基本技能操作的熟練程度,只是促進教師專業(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,如果能對初中物理實驗再進行深入的思考、進行優(yōu)化和創(chuàng)新,必然又將進一步促進教師專業(yè)化發(fā)展的步伐．

1 有對實驗進行思考的意識和行為

案例1.蘇科版物理教材9年級上冊“活動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:在機械制造中有一個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,以使它準確位于軸心上．如圖1所示,一個質(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)自由轉(zhuǎn)動．用力推動一下大飛輪,飛輪轉(zhuǎn)動若干周后停止．多次試驗,發(fā)現(xiàn)飛輪邊緣上的標記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．

思考2:如何設(shè)計探究過程?

(1) 鉤碼和彈簧測力計的位置保持不變,改變鉤碼的數(shù)量.

(2) 鉤碼的數(shù)量和位置保持不變,改變彈簧測力計的位置.

(3) 鉤碼的數(shù)量和彈簧測力計的位置保持不變,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)左邊鉤碼對杠桿的拉力為阻力F2,左邊鉤碼對杠桿的拉力為動力F1,通過改變兩邊鉤碼數(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,改變彈簧測力計拉力的方向,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,改變彈簧測力計拉力的方向,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)過程中遇到的問題、備課組討論的問題,以及學(xué)生作業(yè)、考試中暴露的問題進行歸納、思考和探索,并且研究出一些想法．

2 有對實驗進行優(yōu)化的意識和行為

圖6

案例2：“探究紅外線熱效應(yīng)”的活動(如圖6所示).

在實際教學(xué)中, 教師們普遍反映, 無法達到教材所預(yù)期的實驗現(xiàn)象——溫度計的示數(shù)根本就不會改變．

為了突破這個難題,筆者查閱了相關(guān)資料,并且進行了許多的嘗試和研究,發(fā)現(xiàn):將溫度計的玻璃泡涂黑,看不出現(xiàn)象;換用電子溫度計并且把探針涂黑,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1:改進“溫度計”——自制“空氣溫度計”,使現(xiàn)象放大更明顯(如圖7所示)．

圖7

考慮到經(jīng)過三棱鏡折射得到的紅外線強度較小,同時普通溫度計測溫液體比熱容和質(zhì)量都較大且玻璃泡向光面積較小,使得測溫液體的膨脹量少,導(dǎo)致現(xiàn)象不明顯．針對以上缺點進行改進——自制“空氣溫度計”．這樣可以利用“氣體熱脹冷縮比液體更明顯”的特點,將紅外線的熱效應(yīng)現(xiàn)象進行放大．

圖8

改進2：改進紅外線獲取方式,使現(xiàn)象更明顯(如圖8所示)．

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

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

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)過嘗試,將普通溫度計的玻璃泡用黑色碳素墨水涂黑(或?qū)㈦娮訙囟扔嫷奶结樛亢?將其放置在A點右側(cè)緩慢移動,尋找紅外線的匯聚點,很容易就發(fā)現(xiàn)溫度計的示數(shù)有較大上升．

圖9

改進3：改進紅外光源,使現(xiàn)象更明顯(如圖9所示)．

筆者繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn):太陽光譜上紅外線的波長大于可見光線,波長為0.75～1000 μm．紅外線可分為3部分,即近紅外線,波長為(0.75-1)～(2.5-3)μm之間;中紅外線,波長為(2.5-3)～(25-40)μm之間;遠紅外線,波長為(25-40)～1000 μm 之間．如果天氣不好,或則其他原因,以上改進無法滿足的情況下,可以通過改進“紅外線光源”來完成實驗．

可以替換太陽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“紅外光源”可以直接和改進2進行結(jié)合使用,實驗現(xiàn)象經(jīng)過檢驗非常明顯,而且可以使用普通溫度計,玻璃泡涂黑．對于第三個“紅外光源”,以加熱后的鐵球為例,可以進行以下簡單改進,如圖9所示．

感悟：在初中物理實驗教學(xué)過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)一些諸如案例6類似的實驗,要么實驗現(xiàn)象非常不明顯;要么不適宜演示;要么儀器太專業(yè)、太貴,無法普及．這時,如果能對已有實驗教學(xué)改進和優(yōu)化,為實驗教學(xué)服務(wù),同時也能為促進教師的專業(yè)化發(fā)展提供又一條路徑．

3 有對實驗進行創(chuàng)新的意識和行為

案例3：簡單直流電動機的模型.

此題為2013年連云港市初中物理實驗技能大賽決賽題,全市80多位參賽教師,能成功使電動機模型轉(zhuǎn)起來的只有寥寥3位．

筆者經(jīng)過總結(jié)發(fā)現(xiàn),如此多的初中物理教師在這個“實驗操作試題”上失敗,一則與時間緊張(20 min完成4個實驗,平均花在此題上的時間約為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漆包線,而比賽時提供的卻是0.8 mm直徑的漆包線．

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

筆者針對以上分析,通過研究制作了如下簡易直流電動機模型．

模型1:原始模型——轉(zhuǎn)子加換向器(圖10).

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

該方法雖然解決了線圈繞制帶來的問題,但是仍然存在一個難題——漆包線兩端絕緣漆的“刮漆”問題．有沒有什么方法可以避免這個問題呢?筆者繼續(xù)研究,創(chuàng)新了下面第二種簡易直流電動機模型．

圖10

模型2:簡化電動機——無需換向器(圖11).

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

圖11

工作原理:在該設(shè)計中,由于左右兩根漆包線中的電流方向一樣、所處磁場方向一樣,所以所受磁場力方向也一樣,但是由于它們在兩邊,所以轉(zhuǎn)動力矩方向也就一樣,從而可以使線圈持續(xù)向一個方向轉(zhuǎn)動而不需要換向器．特別要說明的是,干電池的外殼也被強力磁體磁化了;強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,同時也簡化了線圈繞制和平衡問題．那么有沒有徹底不需要線圈的簡易直流電動機模型呢?筆者又進行研究,又創(chuàng)新出了以下的第三種簡易直流電動機模型．

模型3:創(chuàng)新電動機——無需線圈.

器材準備: 1.5 V干電池1節(jié)(1號、2號、7號都可以);強力磁鐵片1個(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(最好是多股細線的導(dǎo)線)．

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

圖12

感悟：通過本案例,筆者認為:如果初中物理教師們在平時的實驗教學(xué)中,多一點創(chuàng)新意識、多一點創(chuàng)新嘗試、多一點創(chuàng)新制作和研究,那么對于初中學(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必定會有一定的引領(lǐng)和促進作用;同時,對于教師自身的專業(yè)知識、專業(yè)能力和專業(yè)發(fā)展也必定起到一個積極的促進作用．對于實驗教學(xué)的設(shè)計、實驗儀器的創(chuàng)新,自制教具等題材,也是促進教師的專業(yè)化發(fā)展的又一條路徑．