新教材物理演示实验的探讨与改进VIP

1新教材物理演示实验的探讨与改进摘要：演示实验在物理教学中占有重要地位。是物理教学中最富有活力的内容，也是教学的有效方法。有很多学校仪器配备不足，要完成教学任务，就需要教师自己设计制作实验；很多仪器的制作成型较早，实验配备也有些落伍；新课程教材增加了很多新演示实验，设置了许多探究性的课题和说一说，做一做等选学内容，都没相应的实验配备；以上各种原因都需要教师自主研发制作新的演示仪器。笔者在演示实验探讨与改进上做一些实践，现结合平时的教研活动中和外出考查学习，对演示实验创新作一总结，以其抛砖引玉。关键词：新课程、演示实验、探讨及改进问题提出：近些年来，由于国家及各级部门对教育的投入，学校的实验条件有了很大改善，但地区发展不平衡，有很多学校仪器配备不足，要完成教学任务，就需要教师自己设计制作实验。其次，很多仪器的制作成型较早，实验配备也有些落伍。教师可以利用新方案，新的制作工艺对进行演示实验进行改进和创新。最后，新课程增加了很多与生活技术相关的新选修内容，如传感器，逻辑电路等，更需要教师深入研究；教材增加了很多新演示实验，设置了许多探究性的课题和说一说，做一做等选学内容；这些拓展性的内容更需要教师潜心钻研，自主研发制作新的演示仪器进行探究。新课程本身就倡导教师积极开发适合教学的课程资源，不仅充分利用现有实验资源做实验，同时提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验，并鼓励教师将微机等多媒体技术应用在物理实验中。第一节、演示实验在新课程中的地位及作用演示实验在物理教学中占有重要地位。是物理教学中最富有活力的内容，也是教学的有效方法。它是配合课堂教学内容，围绕某一目的，把直观形象的实验现象显现给学生，引导学生观察、思考，从而获得一定的结论。新课程的实施给我们带来了你的理念与要求，我们要让学生亲自感受演示实验的实际装置和真实现象，建立现象与物理概念之间的联系，更要引导学生思考观察演示实验，经历探究物理现象中蕴含的规律的过程，学会科学探究的方法。演示实验在师生教学的各个环节都有重要的作用。在新课引入中，可以引起学生兴趣，激发学生求知欲；在学习概念时，可以提供生产和生活中感性材料，帮助形成概念；在学习规律时，可以通过实验经历规律建立的过程，也可以检验规律的正确性或应用规律解释产生的现象。更重要的演示是可以培养学生观察、思维能力，是提高学生发现、分析、解决问题能力有效途经。第二节、演示实验探讨与改进的必要性近些年来，由于国家及各级部门对教育的投入，学校的实验条件有了很大改善，但地区发展不平衡，有很多学校仪器配备不足，要完成教学任务，就需要教师自己设计制作实验。其次，很多仪器的制作成型较早，实验配备也有些落伍。教师可以利用新方案，新的制作工艺对进行演示实验进行改进和创新。最后，新课程增加了很多与生活技术相关的新选修内容，如传感器，逻辑电路等，更需要教师深入研究；教材增加了很多新演示实验，设置了许多探究性的课题和说一说，做一做等选学内容；这些拓展性的内容更需要教师潜心钻研，自主研发制作新的演示仪器进行探究。新课程本身就倡导教师积极开发适合教学的课程资源，不仅充分利用现有实验资源做实验，同时提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验，并鼓励教师将微机等多媒体技术应用在物理实验中。杭州市教研室更是重视演示实验的开发，在每年的物理年会中设置了演示实验和研究性学习的评比高中物理2项目，取得了很大的成绩。这一平台极大推动了杭州地区老师在演示实验上的创新，并且吸引了很多的教具生产厂商来取经。笔者在演示实验探讨与改进上做了一些实践，现结合平时的教研活动中和外出考查学习，对演示实验创新作一总结，以其抛砖引玉。第三节、演示实验探讨与改进的实践一、探讨演示实验实现方法，提高实验的可行性，教材中很多实验只展示了一个原理图，至多提供了一种参考案例，无现成的仪器，更没说明材料、实验方法等，这给我们物理教师提供了钻研的空间，如何用尽可能简单的实验装置说明相应的原理，提高实验的可行性。以下就几个案例，介绍一下如何探讨实验的实现方法。案例 1、静电感应实验设计：如选修 3-1电荷及守恒定律 P3 有实验原理图 1.1-1，我们动手做了仪器如图 1.1-2，把枕形导体末端穿孔挂两条极细的金属丝，在金属丝的未端挂两个泡沫球。遇到的问题：我们分别用了橡胶棒、作源电荷使枕形导体发生静电感应，橡胶棒的实验结果很不理想，查阅资料后发现带负电橡胶棒极易放电（这才明白原理图中带电体是带正电的，实验容易成功） ，用玻璃棒和感应起电机（电压高易放电）现象明显，但金属丝的张角很小并且分离导体后几乎没有张角。解决方法：在做验电器实验中，发现带电体靠近验电器时发生静电感应，金属箔张开明显。受到此现象的启发，自制了静电感应演示器，如图 1.1-3，把枕形导体用磁铁固定在验电器的上端，若在验电器侧向装上铁皮，把验电器改造成静电针，用垃圾塑料袋摩擦过泡沫板当场源电荷，不容易放电，由于金属杆上同种电荷的排斥力及金属盒内壁的异种电荷（金属杆感应而得）的吸引力，使得指针偏转比较明显。如图 1.1-4。新的问题：当两个验电器分开，泡沫板移开时，发现近端验电器金属箔张角较变小后又增大，当时我比较迷惑。后想到：金属杆同样也发生静电感应，当场源电荷移开，金属杆上的两种电荷中和后又重新分布。案例 2、电流间的作用遇到的问题： 选修 3-1通电导线在磁场中受到引力P94 有展示电流间的相互作用的实验原理如图 1.2-1，我们经过实践实验不理想，原因有 1、用现成铁丝弹簧的电阻较大，导致电流太小，电流间作用力太小不明显 2、由于铁丝的重力较大对抗电流间相吸引力，使弹簧3缩短现象更不明显 3、水银有毒性用作实验不合适。解决方法：通过实践我们设计了这样的实验，如图 1.2-2 把紫铜材质的线圈线绕成弹簧状，串在光滑的玻璃棒上，用实验室中的大电流 40A 持续 8 秒，实验非常理想。 （我们也试过黄铜丝效果不理想，因为紫铜电阻率小上较软，受力较明显） 案例 3、探究影响电荷间相互作用力的因素遇到的问题： 选修 3-1库仑定律P5 有多个研究电荷间的相互作用的实验原理如图 1.3-1，开始用泡沫球做带电体 P 、P 、P ，但电荷易流失会发生源电荷吸引带电体的现象，后用锡纸球现象也不如意，分析后认为带电球之间有斥力会影响效果。解决方法：用绝缘良好的丝线并用蜡烛油打过（不能用棉线，绝缘性差且有很多毛刺极易漏电） ，为了避免带电球之间的干扰，取一个锡纸球做实验。用感应起电使金属球带正电，让锡纸球接触也带正电，改变带电体间距离和带电量，定性实验效果很好。案例 4、研究空腔导体内表面的电荷实验设计：选修 3-1静电现象的应用 P26 有研究研究空腔导体电荷分布的实验原理如图 1.4-1，实验室中无现成仪器，我们用验电器的零件做了绝缘性能更好的验电器，用锡纸片代替指针，用泡沫包装盒做外壳，把铝桶用小磁铁装在金属支杆顶端，玻璃棒固定包了锡纸的乒乓球作为转移电荷的。实验结果：当转移杆接触铝桶外表面时 A 验电器张开，证明外表面带电，当接触铝桶底部时，A 验电器不张开，底部不带电。新的问题：当转移杆接触铝桶内表面稍上部位置时，A 验电器也张开，证明内表面上端也带电，这与原理似乎抵触。讨论后认为原理中的容腔形导体接近全封闭，而我们的铝杯开口很大，越接近开口电量越多，但主要集中在外表面。在根据教材的实验原理设计实验时，我们发现按部就班不一定成功，而是要开动脑筋，从材料，装置，实验设计多角度分析不成功的原因，从中要查阅资料，集体讨论，其中辛苦颇多，但当灵光感一现，实验成功的刹那，心中的愉悦也是很鼓舞人的。二、改进现有演示实验，提高实验实效性现有的演示实验大多能说明主要问题，而演示实验主要是用于课堂展示的，要求现象明显容易观察，原理简单容易说明，物尽其用，能从多角度说明问题，根据我们的实践我认为可以从以下几方面改进，（一）增大可见度 案例 1、电容器充放电实验不足：选修 3-1电容器的电容 P29 有电容器充放电实验的原理图 2.1-1。按此图做的装置能展示充放电现象并能指示电流方向，若用安培表指示盘太小，而用电流计以会超量程，都不利于课堂展示。改进：为了提高观察效果，笔者曾设计电路（图 2.1-2）用电动机转动来显示电流方向，但电动机转动有惯性,容易认为此时电路也有电流。后在原理图基础上作了改造制作了演示板（图 2.1-3） ，用发光二极管显示电流流向，装置不但简单而且容易观察。案例 2、电磁阻尼4不足：选修 3-2电磁阻尼与涡流 P28 习题 3 有展示电磁阻尼的实验的原理图 2.1-4，用铝管和开槽铜管和磁性小圆柱演示电磁阻尼，现象比较明显，对比性也不错，但圆管内部看不见，学生总是认为老师在遮掩着什么。改进：把平直铝槽竖直放置，让方形强磁铁从上端释放，会看到磁铁先作加速后作匀速运动，受到了明显的电磁阻 尼（图 2.1-5） 。案例 3、磁场对灯丝的作用不足：选修 3-2 交变电流P33 习题 1 实验展示磁铁对通电灯丝的作力，让磁铁靠近发光白炽灯，观察灯丝运动情况，但灯光十分刺眼，无法观察。 （图 2.1-6）改进：若在灯泡前加一透镜，使灯丝的放大的像成像在墙上，清晰度非常高，很容易看到灯丝的颤抖现象。（二）应用新材料物理实验涉及动力学，电磁学、热学、光学等诸多领域，很多实验随着新技术，新材料的应用，如激光、偏振镜、集成块、光敏热敏元件、钕铁硼磁性材料等应用使原本的难题变的简单易行。如钕铁硼磁钢是一种稀土永磁材料，由于其优异的磁性能而被称为“磁王”。而物理中很多涉及磁现象的实验现象不明显，基本都是因为磁场太弱。它的的国产化使很多难做实验成为可能。案例 1、探究感应电流产生条件系列实验我们在网上购买了强磁铁砖，当两块强磁砖互相靠近时，中间小区域内近似为匀强磁场，让矩形线框接上电流计，如图 2.2-1，可以成功做出选修 3-2探究感应电流产生条件P7 习题中有关实验。如图 2.2-2 可以演示线圈切割磁感线以及线圈相对磁场的各种运动：平动、转动、收缩等是否会产生感应电流。案例 2、电磁驱动及阻尼的系列实验 选修 3-2电磁阻尼与涡流 P27-P29 中有很多有展示电磁阻尼和驱动的实验如图 2.2-3，用强磁小砖块实验非常明显。分别是闭合铜环使磁铁弹簧振子振动起来或阻尼金属片使磁铁单摆系统摆动振动或阻尼强磁小砖块可以使铝环平动。在学习楞次定律时引入中可表演一魔术“磁铁吸铝” ，将一磁性极强的方形磁铁放在铝片之上，迅速磁铁向上移动，铝片居然会跟着向上运动，看上去就象在吸引铝片。上述这些有趣的实验现象极大地刺激学生感官，他们会对将要学的知识充满了憧憬。5（三）改进实验方式在现有的成形仪器中，教材是用于说明主要问题的，一般不提供祥细的实验步骤，这需要教师去细化步骤，改进实验方式；并且教师还可以继续挖掘仪器的潜力来说明更多的问题。这是一个极有艺术性的工作。案例 1、变压器原理选修 3-2变压器P40 用可拆变压器，教材只给出了一个思考与讨论（副线圈端可以让灯泡亮）和一个实验（探究线圈两端电压与匝数的关系） ，为了学生更好地理解本节内容，我们进行了新的设计：1、 磁场中有能量把两个没有导线相连的线圈套在同一闭合铁芯上，一个线圈连到交流电源上，另一个线圈连到小灯泡上，两组线圈间并没有连接，接通电源，让学生猜测小灯泡是否发光？提问学生为什么灯泡会亮？问题 1 的答案是：线圈会产生磁场，能量通过磁场从原线圈传给了副线圈。学生听起来很玄乎，引入跳环实验，让学生明白磁场中蕴藏着能量。2、 体会铁芯的作用将无铁芯线圈并排放置，一个线圈连到交流电源上，另一个线圈连到小灯泡上，接通电源，小灯泡不亮。把线圈套上铁芯，从不闭合到完全闭合，小灯泡慢慢变亮。如图 2.3-1结论：铁芯可以加强磁场，铁芯闭合时，磁感线大部分沿铁芯闭合，磁漏很少。3、探究电压与匝数的关系拆掉副线圈，自制一个匝数可变线圈，演示时可把线圈一匝匝绕上去，发现灯泡会慢慢变亮。如图 2.3-2结论：一匝线圈就相当于一个感应小电源，匝数多相当于电源串联，再加上变压比实验，这样能更好地理解电压与匝数的关系。4、理想变压器让变压器工作较长时间，让同学来摸线圈及铁芯，发现微微发热，分析发热量少的原因。结论：经过片状处理的铁芯涡流较少热量很小，线圈电阻很小，发热很少，结合磁漏少，可以认为变压器输入功率等于输出功率，这样的就是理想变压器。案例 2、受迫振动6不足：选修 3-4外力作用下的振动 P18 图 2.3-3 用电动机驱动两组弹簧 -钩码系统，实验现象还可以，但 1、实验装置有点复杂，学生对偏心轮等没有生活体验，让学生明白较费事 2、振动系统不稳定，会出现振动停滞的现象，不利于观察。改进：由起伏路使汽车受迫振动相关习题的启发，制作仪器如图 2.3-5 两个不同质量的钩码挂在相同的弹簧上并架在横梁上，人手持支架走路使支架一上一下，相当于使振动系统受到一定频率的驱动力，行进速度大则驱动力频率大，可按以下步骤进行实验。1、分别拉钩码使之自由振动，让学生观察两个振动系统的频率区别（发现钩码质量大的振动系统固有频率小）2、当人以某速度一行走，让学生观察两个振动系统的是否同步（发现振动频率相同） 3、当人以某较慢和较快速度行走时，让学生比较两个振动系统的振幅大小（速度较慢时，驱动力频率小，与大质量系统固有频率接近故振幅大，速度较快时，驱动力频率大，与小质量系统固有频率接近故振幅大）4、对于一个振动系统，当人的速度越来越快时，观察振动振幅的变化（随着驱动力频率变大，振动的振幅是增大后减小）这个仪器较简单，而实验现象比较明显稳定，这样的步骤设计使学生的对相应的内容理解比较透彻。并且这一实验有拓展作用：学生能很容易地理解如火车过铁轨的受迫振动，起伏路汽车弹簧的振动。三、改进演示实验设计方案，提高实验的科学性新课程中，很多实验教材只分析了探究的思路或只给出供参考的案例，但实验方案是开放性，这就要求教师进行创造性劳动，优化实验方案，如必修 1 中探究加速度与力、质量的关系 ，我们发现用对比法做的演示实验和利用打点计时器做的学生实验，实验效果都不是很理想,主要就是因为实验中存在系统误差，即绳中拉力近似等于钩码的重力。教材给出的参考案例（图 3.1-1） ，第一种情况，当小车质量不变时，改变外力，探究外力与加速度的关系，受 09 年江苏高考题 11 题的启发，以小车、砝码盘及盘中砝码这一整车为研究对象，砝码盘及盘中砝码的重力是整车合外力。把车上砝码转移到砝码盘中，从而改变整车受到的合外力，在这样的实验设计下，避开了系统误差，在平衡摩擦较好情况下， 与 非常较近。第二种情况，当小车外力不变时，改变小车质21FX量，探究加速度与质量的关系。如果使用原有装置，因为加速度不同，由于小车拉力小于砝码盘及盘中砝码的重力，要保持外力相等是不可能的，如果加以改造（图 3.1-2） ，实验科学性及准确性大大提高。案例：探究加速度与力、质量的关系背景： (2007 江苏高考 13 题)如题 a 图，质量为 M 的滑块 A 放在气垫导轨 B 上，C 为位移传感器，它能将滑块 A 到传感器 C 的距离数据实时传送到计算机上，经计算机处理后在屏幕上显示滑块 A 的位移时间（s-t）图象和速率时间（v-t）图象。整个装置置于高度可调节的斜面上，斜面的长度为 l、高度为 h。此装置还可用来验证牛顿第二定律。实验时通过改变 ，可验证质量一定时，加速度与力成正比的关系；实验时通过改变 ，可验证力一定时，加速度与质量成反比的关系。7实验原理：如图 3.1-3，重力沿斜面向下的分力 mgsin 就是物体在斜面上受到的合力，当滑块在斜面上滑动时，利用位移传感器测量小车的加速度。当探究质量一定，加速度与力的关系时，可以通过改变斜面的倾斜角度来改变物体受到的合力；当探究合力一定时，加速度与质量的关系时，可以通过改变 和m，但保持 mgsin 的乘积不变，来保持合力不变。这样就避开了实验的系统误差。实验设计：将位移感器的接收器固定在气垫导轨的一端，将位移传感器的发射端固定在小车上，气垫导轨的阻力可忽略，当滑块在斜面上先上滑又下滑时，利用位移传感器得到滑块运动的位移-时间图像，拟合后得到抛物线，对抛物线进行求导可得速度时间直线，对直线拟合后直线斜率就是滑块的加速度（图3.1-4）测角度：在气垫导轨上同一水平面上取 A、B 两点，量出两点间的距离 L 及两点距地的高度 h1和h2，则 sin=（h 2-h1）/L，如图 3.1-5。数据处理及结论：1、物体质量为 328.571 克，当质量不变时，改变倾角时，a 与 F 基本成一通过原点的直线（成正比，图3.1-6）2、物体所受力 0.146412N，当合力不变时，改变物体质量，a 与 1/m 基本成一直线，但没过原点（原因还没研究出来）如图 3.1-7四、突破教学难点，自主研发演示实验8新教材虽然增加了许多演示实验、做一做等栏目来增加学生的感性知识，帮助学生理解概念及规律。但教师如果深入钻研教材，还是可以发现教学中很多疑难之处需要新的演示实验加以突破。案例 1、瞬间问题系列1、弹簧和绳子的拉力的瞬间变化情景：如图所示，OA 为不可伸长绳子 ,BC 是弹簧,两个质量均 m 的重物静止,若剪断瞬间两物体的加速度分别是多少？分析：对于这些问题我们一般都是向学生这样讲解 的：剪断瞬间弹簧来不及恢复形变，弹力不变，而绳子的力可以瞬间改变的， 拉力力零。学生好象是理解了，在类似问题中做的还可以。但在上海 2001 高考题上却折戟沉沙，表明没有真正理解，只是在记住结论在机械套用。（上海高考题）如图 A 所示，一质量为 m 的物体系于长度分别为 l1、l 2的两根细线上，l 1的一端悬挂在天花板上，与竖直方向夹角为 ，l 2水平拉直，物体处于平衡状态。现将 l2线剪断，求剪断瞬时物体的加速度。（l）下面是某同学对该题的一种解法：解：设 l1线上拉力为 T1，线上拉力为 T2， 重力为 mg，物体在三力作用下保持平衡 T 1cosmg， T1sinT 2， T 2mgtg 剪断线的瞬间，T 2突然消失，物体即在 T2反方向获得加速度。因为 mg tgma，所以加速度 ag tg，方向在 T2反方向。你认为这个结果正确吗？请对该解法作出评价并说明理由。（2）若将图 A 中的细线 l1改为长度相同、质量不计的轻弹簧，如图 B 所示，其他条件不变，求解的步骤和结果与（l）完全相同，即 ag tg，你认为这个结果正确吗？请说明理由。这一问题也总是困扰着我，直到有了 DIS 系统可定量研究。实验设计：简化原问题，用如图 4.1-1 的装置研究瞬间绳子拉力的变化，用如图 4.1-2 的装置研究瞬间弹簧弹力的变化。遇到的问题：用 剪子断绳，剪子给细绳的力会影响测量，实验发现无 论是弹簧还是绳子的力变到都需要百分之几钞的时间， 这样就不能说明瞬间问题了。解决方法:我们用 打火机断绳对测量影响较小，并用采样频率 1K 即 1/1000 秒来采样，更接近了瞬间，实验中我们试了丝 线与棉线，发现丝线的反映时间较短，这使我们更理解了习题中不可伸长的绳（理想模型）的含义。9结论：如图 4.1-3 弹簧拉力变化时间是丝线拉力变化时间的 4 倍。我们可以认为不可伸长的绳在剪断的同时拉力变成零，而弹簧的力变成零要较长时间。2、圆周运动中的瞬间问题背景：必修 24向心力P22 习题 4 细绳的一端固定于 O 点,另一端系一个小球 ,在O 点正下方顶一个钉子 A,小球从一定高度摆下。经验告诉我们，当细绳与钉子相碰时，如果钉子的位置越靠近小球，绳子越容易断。实验设计与结论：如图 4.1-4，通过力传感器观察细绳接触钉子瞬间拉力的变化。我们发现未安装钉子前最大拉力（即小球在最低点时）为 1.35N，安装钉子后细绳接触钉子瞬间拉力变成 2.25N，钉子的位置越靠近小球，绳子拉力更大。这个实验使学生理解了在绳子接触钉子瞬间，摆长变小，由于向心力的需要，拉力瞬间变大。3、碰撞中的瞬间问题情景：如图所示，用长 2m 的轻绳吊着质量为 9.9kg 的沙箱，质量为 0.1kg 的子弹以 500m/s 的水平速度射入沙箱并留在沙箱中，求子弹射入沙箱的瞬间轻绳所受的拉力？实验设计与结论：用重锤撞击 M 来代替子弹射入 M，如图 4.1-6，通过力传感器测量撞击时细绳瞬间拉力的变化。我们发现撞击前拉力为 1N，撞击时拉力突然变为 10N，撞击瞬间 M 虽在原位置，但运动状态瞬间变了。案例 2、变压器输电动率与负载关系背景：在学习了变压器原理后，学生会做到这样的习题。题例 1：如图所示，理想变压器的副线圈上通过输电线接有两个相同的灯泡 L1 和 L2，输电线的等效电阻为 R.开始时，开关 S 断开当 S 接通时，以下说法中正确的是( )A副线圈两端 M、N 的输出电压减小B副线圈输电线等效电阻 R 上的电压增大C通过灯泡 L1 的电流减小 D原线圈中的电流增大题例 2：理想变压器原、副线圈的电流为 I1、I 2，电压为 U1、U 2，功率为P1、P 2，关于它们的关系，正确的是( )AI 2 由 I1 决定 BU 2 与负载有关CP 1 由 P2 决定 DU 1 由 U2 决定内容涉及动态电路变化规律、变压器原理及远距离输电，有一定的综合性。我们从理论上讲解，但没有生活接触学生还是理解不到位的，我们就做了演示扳（如图 4.1-4） 。实验设计与结论：1、当无负载时，发现原线圈端灯泡微亮2、当副线圈有负载时，原线圈端灯泡更亮3、当副线圈负载变多时（输出功率变大） ，原线圈端灯泡一次比一次亮，说明原线圈电流变大（输入功率也增大） ，由此可知原线圈的电流是由原线圈端的输出功率决定的4、负载增加，副线圈的电流增