微小形變數字化實驗在教學中的應用

張龐 張九春

摘 要：微小形變因其變化小，不容易被察覺，對初學物理的學生來說是一種挑戰，而將微小形變數字化，通過數字的變化體現物體發生的微小形變，化抽象為形象，有利于學生物理思維的建構.微型電子秤因其結構簡單、實驗效果明顯，通過簡單的設計，能夠很好地展現微小形變的過程.

關鍵詞：熱脹冷縮;彈性形變;微型電子秤

文章編號：1008-4134（2019）17-0038中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

在學習溫度和彈力的內容時，常采用如圖1所示的實驗方案演示熱脹冷縮和彈力產生的微小形變，該教具簡單、操作方便、效果明顯.但也存在以下問題：①手的溫度和壓力都會導致液面上升，實驗中兩個不確定因素對各自對立的實驗存在較大的影響.②熱傳導讓玻璃瓶和液體都發生了膨脹，玻璃的膨脹也會擠壓液體使得水柱上升.因此，為了不引起誤區，在彈力微小形變中，采用了如圖2所示的方案，但該實驗方案需要較長時間調整激光的反射角，角度不合適會導致按壓桌面時光點移動不明顯[1]，且實驗需要在較暗的環境中進行，否則光點亮度較低，不利于觀察.

如何通過簡單的物理實驗將微小形變展現出來，使學生可以通過簡單的邏輯分析和空間想象能力感受到物體的微小形變，并能準確地區分物體的微小形變是因熱脹冷縮或彈力形變引起的.筆者經過嘗試，針對實驗教學提出兩種解決方案.

1 實驗方案一：利用微型電子秤顯示金屬棒的熱脹冷縮

實驗原理：金屬棒受熱膨脹會擠壓電子秤，通過電子秤的示數變化顯示金屬棒的微小形變.

實驗過程：圖3是實驗過程中所采用的原理圖.實驗時將鐵棒固定在U型框架的一端，另一端豎直置于電子秤上.將鐵棒靠近電子秤的一端輕輕壓在電子秤表面上，如圖4所示，圖（a）可以看到在常溫下電子秤此時的示數為14.20g.點燃金屬棒下端的蠟燭，經過30s、60s時圖（b）和（c）示數分別為20.13g和26.30g，可以看到，電子秤的示數變化明顯，金屬棒因受熱而膨脹.

實驗反思與建議：

（1）由于微型電子秤的示數變化明顯，輕微的壓力或從水平放置改為豎直放置都會引起示數的變化，因此在實驗開始前先將電子秤置于豎直擋板處，稍等一段時間后當示數達到穩定，再按去皮清零鍵使得此時數值為零.

（2）金屬棒輕壓微型電子秤表面過程要緩慢一些，待示數穩定，再旋緊螺帽固定金屬棒.

（3）該實驗非常適合將手機連接投屏軟件，如利用希沃手機助手，連接好后讓學生從屏幕上觀察點燃蠟燭時的示數與點燃蠟燭后示數的變化，體驗金屬棒在加熱過程中的膨脹.

（4）實驗時可以將金屬棒換成玻璃棒，按照上述方法再做一次，觀察玻璃棒的膨脹，對比兩次實驗，體會兩者膨脹的不同.筆者換用差不多大小的玻璃棒，如圖5所示，初始時為0.87g，30s、60s時分別為4.85g和5.81g.顯然在相同的時間內玻璃棒膨脹導致微型電子秤的示數明顯小于金屬棒的.

2 實驗方案二：利用微型電子秤顯示木板的彈性形變[2]

實驗原理：按壓木板會使木板發生形變，通過海綿擠壓電子秤，使示數發生變化.

實驗過程：圖6是實驗過程中所采用的原理圖（a）和實物圖（b）.實驗時將微型電子秤水平放置在U型框架上，框架上方放一塊結實的木板，木板按壓時幾乎看不出形變.實驗時在木板和微型電子秤之間墊一些軟海綿，如圖7（a）所示，此時微型電子秤示數為0.22g.將相同的砝碼連續相繼放在木板上，微型電子秤的示數分別為1.08g、1.75g和2.21g，如圖7（b）（c）（d）所示.觀察不到木板的形變，但微型電子秤的示數發生了變化.說明有一個向下的力出現了，木板兩邊有支撐的架子，因此木板不會整體下移擠壓微型電子秤，只有中間向下彎曲擠壓電子秤，木板發生了形變，微型電子秤的示數越大，木板形變的越厲害.

實驗反思與建議：

（1）實驗時盡可能選用合適的木板，不宜特別厚，也不能特別薄.過厚的木板形變太小，微型電子秤的示數變化不明顯;而過薄的木板，一是容易觀察形變，體現不出微小形變.二是形變量過大，容易使得微型電子秤超量程.

（2）微型電子秤和木板之間墊上海綿方便測量形變，但海綿要取適當的厚度，過厚的海綿會導致剛開始微型電子的示數過大，放上物體后木板輕微形變電子秤就會超量程.

（3）該實驗結構簡單、操作方便、原理清晰，了解實驗過程后，可以讓學生自行操作，教師將他們操作的過程通過手機投屏的方式展示.

3 結束語

初學者往往對物理有較大的興趣，但隨著學習物理難度和深度的加大，學生對物理模型的建構變得越來越困難，難以理解物理規律的含義，更不會將其應用于不同的場景中解決問題，逐漸對物理失去興趣，甚至恐懼物理.結構簡單、操作方便、原理分析容易的實驗可以有效地幫助學生理解概念，思考現象背后的原因和規律，建立起物理模型.微小形變作為學生學習的難點和重點，對其探究還有很多方法可以去嘗試和改進.

參考文獻：

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