高中物理教學中融合初階工程測量的實踐
——以“液面高度測量方法的比較”為例

方武增

東莞中學松山湖學校（集團）第十三高級中學，廣東 東莞 523779

物理學是人類在認識、利用自然規律，并在生產生活實踐活動中產生和發展的學科。物理學家經常為他們的新發現尋找實際應用，工程師則認為圓滿地解決技術問題的前提是探索自然規律的相關知識［1］。由于物理學和工程技術應用之間互相滲透，適當將工程內容引入到物理教學的行為值得提倡和鼓勵。

1 高中物理教學與工程的融合

1.1 融合的必要性

物理教學的需要。對于高中物理教學而言，適當引入工程實例作為教學情境，可以激發學生學習物理的興趣，促進其對物理定理和公式的理解。同時，也能促進教師對教學資源的整合重組。教學不能拘泥于原有的課程安排，要根據學情重組教學資源。由于物理學已滲透到各項生產生活中，物理教學會很自然地涉及到應用領域。這要求實際教學目標要具體化，知識與應用的關聯要有針對性。

發展能力的需要。現在的評價方式往往是“紙筆測試”，但紙筆測試成績并非與能力成正比。從學理上說，能力是指個體為了解決來自某一既定情境群的任何情境而調動一套被整合的資源的可能性［2］。物理教學要重點指導學生理解各種情境中的物理原理和基本科學方法，培養其解決實際問題的能力。因此，將初階工程測量融合到物理課程設計是較優的選擇。

為國育才的需要。當前科學技術發展一日千里，一個合格的公民必須要學習掌握先進的科學技術，才能夠應對來自各種層面的挑戰［3］。所以，將初階工程融入物理教學中，顯得十分必要。

1.2 融合的原則

任何教學模式的實施，都要先調查清楚教師的水平、學生的基礎和現有的教學資源，再根據實際情況探索最佳的教學方式［4］。考慮到高中生的認知水平和思維能力，融合工程實例時要適當且簡易，不可牽強地引入過于復雜的原始問題。不然，會適得其反。所以，必須從“初階”入手。物理學習中，“測量”無疑是最初階的物理應用。這一點集中體現在初、高中課程設計及中、高考試題中，常會考查規范測量與正確讀數的問題。

2 高中物理教學與工程初階融合的實踐

測量就是未知量與某一標準的比較，并且將測量結果數據化的過程。現代生產生活中，液面高度的測量非常普遍。有許多貯放液體的容器需要測定液位。液面高度的準確測量為生產提供重要參數，也能體現監測水平。筆者以“液面高度測量方法的比較”專題學習為例，嘗試融合高中物理與工程的教學，取得了較好的效果。

2.1 直接測量法

液面高度的檢測方法有很多。可通過“標尺”直接測量（圖1）。這一點類似于實驗室中觀察量筒液面高度的變化。但這種方法要求標尺具有“可視化”特點，要求液面要“寬”。量筒測量法則要求容器透明，液面與標尺刻度要“貼著”對比（圖2）。

圖1 水庫的液面高度

圖2 透明材質的標尺

許多電氣設備或油罐的材質都不透明，相當于“暗箱”。而且出于安全考慮，罐口都較小，或者直接封口。即使能把“尺”放入，也看不見標度。因此，一般都采用間接測量法，先將“液面變化的信息”轉化為“可視化信息”，再通過觀測這些“可視化信息”，來了解“液面變化的信息”。下面，介紹幾種間接測量法。

2.2 浮子推動變阻器測量法

2.2.1 物理原理

閉合電路歐姆定律，滑動變阻器原理。

2.2.2 裝備

圖3 是一種測定油箱內油量的裝置。滑桿可以繞固定軸O 轉動，一端與滑動變阻器的滑片連接，另一端固定著一個浮子。因此，滑動變阻器的電阻與浮子的高度h（液面的高度）有關，可記為R（h）。另外，電路中還存在一個定值電阻，其阻值為R0。

圖3 浮子推動變阻器

2.2.3 物理過程

當油箱中的油面下降時，浮子會隨液面落下，帶動滑桿使滑動變阻器滑片接觸點向上移動。在此過程中，電流表的示數會發生變化，其與電阻之間的關系滿足

于是，電流表示數I 便與液面的高度h 聯系起來。把電流表刻度盤改為相應的油量體積參數，就可以直接讀出油箱中的油量了。

2.3 傳感電路測量法

2.3.1 物理原理

閉合電路歐姆定律，傳感器原理。

2.3.2 裝備

一些汽車的低油位報警裝置中，油箱的警戒液位由含熱敏電阻的電路檢測。將置于油箱中的熱敏電阻接入一個閉合電路中，通以一定的電流，熱敏電阻會發熱。

2.3.3 物理過程

熱敏電阻阻值隨溫度的變化規律如圖4 所示。當液面高于熱敏電阻時，熱敏電阻散發的熱量會被液體帶走。此時，熱敏電阻溫度較低，阻值較大，指示燈不亮，如圖5（a）所示。當熱敏電阻露出液面時，較差的散熱效果使其溫度上升，阻值較小，指示燈亮，如圖5（b）所示。因此，通過觀察指示燈就可以判斷液面是否降低。

圖4 電阻阻值隨溫度的變化

圖5 熱敏電阻檢測液面

采用類似的方法，還可以把“熱敏電阻”改為“壓敏電阻”，把壓力信息轉化為電流信息（圖6）。通過電流表的讀數變化，判斷液面是否降低，還可以把讀數轉化為圖標信息（圖7）。

圖6 壓敏電阻檢測液面

圖7 圖標信息反映液面太低

小結：浮子推動變阻器、傳感電路，本質是液面變化引起電阻的變化，從而改變閉合電路電流大小。反過來，電流表讀數（或燈泡亮度）反映液面高度的變化。

2.4 電容器電路測量法

2.4.1 物理原理

電容器結構變化及充放電過程的電流方向對比。

2.4.2 裝備

礦井的水位檢測器和電路示意圖分別如圖8（a）和（b）所示。其中，A 為固定銅芯，B 為玻璃，D 為礦井中含雜質的水，三者組成一個電容器。

圖8 電容式液位計及電容器電路

2.4.3 物理過程

電容器充電和放電時的電流方向是相反的。開關閉合瞬間，電容器處于充電狀態，電流計的指針向左偏轉。

開關K 閉合后，若礦井水面上升，電容器兩極板正對面積S 增大，而兩極板間距d 及相對介電常數εr都不變，根據

可知，電容C 變大。在電壓U 不變的情況下，再由

可知，A 所帶的電荷量Q 增多，相當于繼續充電，指針向左偏轉。反之，礦井中的水面下降，相當于電容器兩極板正對面積S 減少。由（2）式可得，電容C 變小，A 所帶的電荷量Q 減少，相當于放電，指針向右偏轉。所以，根據指針的偏轉方向就可以判斷液面高度的變化。

2.5 LC 振蕩電路測量法

2.5.1 物理原理

電容器結構變化及LC 振蕩電路中電流頻率的對比。

2.5.2 裝備

如圖9 所示，為了測量液罐中不導電液體的高度，將平行金屬板電容器置于儲罐中（與液罐外殼絕緣）。電容器露在液罐外的部分，通過開關與電源或電感相連，實現充電與放電。

圖9 振蕩電路

2.5.3 物理過程

先將開關撥到a，給電路充電。再從a 撥到b時，電容與電感構成的回路中會產生振蕩電流，其波形如圖10 所示。在極板面積、極板間距一定的條件下，液面高度降低時，介電常數減小，由（2）式可知，電容變小。再由

圖10 波形圖

可知，波形圖的周期變小。所以，根據波形圖周期的變化，就可判斷液面高度的變化。

小結：電容器類及LC 振蕩電路類，均與電容器有關。液面高度的變化會影響電容大小，使電流表指針偏轉方向或LC 波形圖的周期發生變化。反過來，電流表指針偏轉方向或LC 波形圖的周期變化可反映液面高度的變化。

此外，還可以用回聲儀、音叉液位計、磁致伸縮液位計等監測液面變化。在工程測量中，比如石油開采，油井液面與井口相距較遠，井身并非嚴格的豎直方向。隨著生產的進行，油井溫度和壓力都會發生變化。井中的各種流體、固體的性質和狀態也隨之改變［5］。正是基于如此復雜的因素，油井液面變化就不是以上四種方法就可以確定的。此時，可利用聲波法。回聲儀放出聲波，得到的回聲波信號經過放大后轉換為數字化信號，并在計算機上進一步分析、解釋和自動化監控。

3 高中物理教學與工程融合的策略

將高中物理教學與初階工程測量融合時，僅僅培養科學思維、歸納研究方法并不夠，還要盡力為學生創造一個科學探究的環境。實驗是物理課程改革的重要環節，物理量的測量需要學生“動手測一測”，從而體驗探究過程（圖11）。在提高學生動手能力的同時，又加強了他們的理解。由于鄉鎮中學經費緊張，儀器短缺，其實驗教學條件遠不如城市中學。但是，物理教師可以簡單地加工處理價格低廉的材料或生活中的“壇壇罐罐”，自制低成本物理實驗教具，進行簡單的物理實驗［6］。

圖11 學生做實驗

除了引導學生正確掌握實驗測量技術外，還要注意實驗數據的處理及分析方法，并從實驗結果中得出相關物理規律［7］。隨著信息技術的發展，實驗數據處理方式已呈現出多樣化。因此，教師要拓展教學思路。例如，用Excel 等軟件輔助教學（圖12），使之較直觀地反映物理規律［8］，也有利于學生對知識的獲取與鞏固。

圖12 Excel 輔助教學

4 教學反思

教育心理學指出,知識應用是掌握知識的重要環節，物理知識與技能的學習更是如此。在“液面高度測量方法的比較”的專題學習中，以工程應用作為教學情境，系統比較了直接測量法、浮子推動變阻器測量法、傳感電路測量法、電容器電路測量法、LC 振蕩電路測量法等在教學中的應用，并將物理測量知識滲透進來。學生在學習物理知識的同時，也會關注科技與工程，開闊了視野。

實際上，高中教育在拔尖創新人才的培養過程中有著特殊的地位。物理教師要閱讀國內外的優秀教材及相關文獻，拓寬視野。同時，還要處處留心、有意積累，及時跟蹤科學技術的發展及應用。要廣泛地收集相關案例，并以一種恰當的方式將其作為學習情境融于教學，提高課堂效益。