书城科普读物动手做实验丛书--物理实验操作方法运用
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第9章 物理实验教学中的实验演示(3)

利用投影仪,将实验现象放大的方法虽然简单,但取得的效果却是显着的。第一,可将温度计液柱缓慢而微小的变化,转化在图象上更加直观。第二,学生通过屏幕观察放大后的现象,比只有几个学生和老师证明式的口授有更强的说服力,更能引起学生的学习兴趣,印象深刻。第三,教师在改进后的演示实验教学中感到轻松,省时省力,学生通过直观的感性认识,可自然顺利地引入“比热”的概念,学生学得轻松活泼,有利于培养学生的理解能力。

我们还进行了类似的一些改进措施。例如讲“汽化”一节沸点与压强的关系,可以在继续加热密闭烧瓶中沸水的同时,用冷毛中覆盖沸水烧瓶上部的方法,来设法增大和减少压强,以观察沸点与压强的关系等等。这样一些改进,都增强了演示实验的显示效果,课堂教学质量也逐年上升。

自行设计物理演示实验的八条原则

自行设计演示实践,这是物理教师要教好物理课应有的素质,也是当前物理教学改革的重要课题。潘隆昌、郭跃屏老师根据多年的教学实践,总结了自行设计演示实验应遵循的8条原则:

科学性要强

演示实验复现的物理现象要力求真实、正确、符合科学,例如,用大型示教用电流计演示LC振荡电路产生振荡电流时,看到电流计指针来回摆动,于是就解释说振荡回路产生了振荡电流,这是不科学的。因为一般情况下LC回路振荡频率很高,电流计指针根本来不及摆动。指针的摆动实际上是瞬间电流作用的结果,如果用示波器来观察振荡电波形,既形象又科学。

物理实验的误差是难免的,但不能为了避免误差而拼凑数据,欺骗学生,也不能把任何不正确的实验结果都归结于误差而了结,要很好地分析误差产生的原因,要尽量减少误差。例如在演示萘的溶解和凝固时,实验测得萘的熔点常常不是80℃或不是保持80℃不变。原因是什么呢?反复实验后发现有以下四个原因:(1)煤油温度计不够准确,用水银温度计较为准确;(2)萘粉要纯,如化学纯萘粉;(3)酒精灯加热要缓慢均匀,使杯中水温与试管中萘粉温度差不超过3℃;(4)搅烂器搅烂萘粉要认真、细致,使萘粉受热均匀。

结构、操作要简单

结构复杂、操作繁琐的演示实验,很容易分散学生的注意力。所以演示仪器只要效果明显,不失科学性,那么越简单越好。例如比热的演示实验,课本中介绍的方法,结构复杂、实验时间长,另外用两盏酒精灯分别加热使两烧瓶受热相同难以控制。可改用两个250ml盐水瓶,分别注入质量相同的煤油和水,塞紧皮塞,再将注有一段红色水的一次性透明输液管两端穿过皮塞插入瓶内,使红色水柱在透明输液管的中央。演示时,只要将热水瓶里的开水倒入脸盆里,再将两盐水瓶同时放入脸盆中,即刻看到红色水柱向注有水一侧的瓶子移动,说明煤油受热后温度上升得快。

可见度要高

演示实验一定要使班上每一位学生都能清楚地看到所演示的现象,如灵敏验电器,演示时“灵”而不“显”。如果把金属箔做得太大,则会“显”而不“灵”。因此,采用灯光反射原理,在验电器后方装上两只灯泡,达到了演示现象明显清楚可见度大的效果。又如,演示液体的热胀冷缩时,水中滴几滴红墨水,烧瓶上方的玻璃管中插入一根铁丝,就可以大大增加可见度。

目的性要明确

教师应根据教学目的策划设计演示实验。有些现象学生比较陌生,抱有怀疑态度。如电磁波的传播是不需要媒质的,对此,学生不是坚信不移的,我们便通过实验证实。在一只玻璃钟罩内放一只小型讯号发生器,在外面用一架收音机来接收,可以听到讯号声。把钟罩内的空气抽去不影响收音机的正常接收,但是如果换了一台闹钟,当钟罩内的空气抽去后就听不到声音了。这说明了声音的传播需要媒质,而电磁波的传播不需要媒质。

有时还要通过演示实验来帮助学生建立新的概念。如在讲到电磁波接收中的电谐振这个概念时,教师仅用“电学中的共振现象叫电谐振”一句话来说明,学生仍无法理解,因为缺乏感性认识。我们便用甲乙两个大小相同的莱顿瓶分别和矩形线圈组成LC振荡电路,甲莱顿瓶两极跟起电机或高压感应圈相接作为发射电路,乙莱顿瓶线圈两端跟氖管相接作为接收电路,当乙莱顿瓶线圈跟甲莱顿线圈平行且大小差不多时氖管发光最高。这个现象说明接收电路的固有频率与外界电磁波频率相同时,接收电路中振荡电流最强,这就是电谐振现象。

成功率更高

只有成功的演示实验才能帮助教师顺利完成教学任务。例如演示静电实验一般比较困难,其原因是静电“压高量少”,由于静电压高,使通常用的绝缘体在高压下成了导体;因静电量少,电荷很快会“漏掉”,特别是天气潮湿就更容易“漏掉”。分析了上述原因,我们制作了一个全天候静电实验箱,形状像演示用示教电流表,前面板用玻璃,以观察实验现象,其他面板用木板做。实验箱分三层,底层装有两个涂黑的串联的100W灯泡作为烘干用的热源,中间层贮放静电实验器材,如玻璃棒、橡胶棒、毛皮、丝绸等。顶层安装验电器,固定验电器金属杆的面板要用绝缘性能好的材料,如有机玻璃,其它隔层板用铁丝网,便于从下到上烘干箱内的“湿气”。此实验箱经多年使用,在任何恶劣天气下,都能一用就“灵”。

现象要明显

课本中有许多演示实验,现象不明显,例如,演示伏打电池的实验,其电珠经常不亮或亮不到几秒钟就熄灭,犹如昙花一现。若实验前将铜片用酒精灯烧1分钟左右,用发光二极管代替电珠,发光二极管就能持续发光几十分钟不熄灭。又如演示自感现象时,电感L线圈用日光灯镇流器代替,断开电路电键时,只能看到灯泡亮一下就熄灭,若改用电阻小电感大的800W的自耦变压器,此时,电路电键断开瞬间灯泡不仅不熄灭,反而发出耀眼的强光。

现象直观、形象

直观形象的演示实验真可谓“千言万语说不清,一看实验就分明”。例如,悬挂在支架上的重物,其重力对杆的作用,单凭老师讲解,学生都感到难懂。我们便将斜杆上端系上一根橡皮绳,用图钉钉在黑板上,横杆的左端顶住一气球,挂上重物,就可看到橡皮绳被拉长气球被压扁,学生看了这种直观形象的实验后,就立刻明白力F对斜杆的拉伸作用,对横杆的压缩作用,便能很快将F按图中所示进行分解。

演示时间要适度

演示实验应在几分钟内完成,时间过长会分散学生注意力,影响课堂教学。

如演示液体热胀冷缩,按课本上的设计,用酒精灯将一满烧瓶的冷水烧热看到瓶塞上方玻璃管内液面上升的情况,需要10多分钟。用小试管代替烧瓶,水里滴入几滴红墨水,在试管塞上插入细玻璃管,管内插入铁丝,管内空气柱就变的更细,液面上升情况就更明显,用酒精灯加热小试管,一分钟内就可明显看到液面上升。又如演示萘的熔解与凝固,用78℃左右的热水就可以加速实验过程,大大缩短实验时间。

物理演示实验的课堂操作与运用(一)

演示实验对建立、验证物理概念和规律,帮助学生学习掌握物理知识、激发学生学习兴趣有着重要意义。

教师在演示物理实验时,除按教材要求做到熟练、成功、注意使实验现象明显,可见度大、引人入胜外,武汉市34中学梅长钊老师总结提出注重以下几点,将会使演示实验发挥更大的作用。

在演示实验的讲、演中,启发学生思考,培养学生思维能力

有许多实验,仔细研究一下,都可找出启发、培养学生思维能力之处,这里举一个例子,做初中研究平面镜成像性质的演示实验时,当玻璃板前的蜡烛点燃,学生都观看到玻璃板后的蜡烛虚像时,教师不要像课本上那样,马上用另一支蜡烛去玻璃板后测试虚像的位置,而可暂停一下,先向学生提一个问题:怎样来测定这个虚像到平面镜的距离?这个有趣的问题,马上吸引了全班学生的注意力,调动学生紧张思维,然后,教师再用那支蜡烛来测定虚像的位置,测出与玻璃板的距离,从而使学生恍然大悟,赞叹方法之巧妙,其思想集中,兴趣盎然,印像深刻自不言而喻,教材里的演示实验中像这样发掘一下,能给学生思维带来很多启迪。

介绍演示实验的由来背景,扩大学生视野,增强学习兴趣不少实验,若在演示前简单介绍一下所做实验的由来背景材料,将会引起学生的重视与兴趣,也能使学生获得更多的知识。

奥斯特实验,是一个看起来较为平淡的实验,并且为教学中的一个难点,如果在演示前说明一下这个实验的重要意义:开辟了电磁学研究的新领域;介绍一下实验现象的发现经过——1820年4月,奥斯特在一次讲座中,将铂丝接通电流时,偶然发现靠近铂丝的小磁针动了,这一不明显的现象,没有引起听众的注意,而他却非常兴奋,抓住这一现象不放,连续进行了3个月的深入研究,到7月21日宣布了实验的情况,使他的十年努力终于获得成功,学生听后,在观看这一实验时必将更为认真,聚精会神,为安培定则的学习打下良好的基础。

同样,伏打电池的演示实验,今日看来当然十分简单,但如果先向学生说明一下伏打电池诞生的意义:标志着静电时代的结束,动电时代的开始;讲述一下当时的情形——伏打经过多年的努力,在1800年终于如愿以偿,用60块铜片和银片堆积产生电流,并宣布其发明,1801年2月21日,拿破仑邀请伏打到巴黎演示他的发明,伏打在法国科学院演讲,拿破仑亲自参加听讲,并颁以奖励,学生听后,一定会以另一种态度和目光来看待这个演示实验。

像上面这样补充介绍一下实验的由来、趣闻,花不了一、两分钟的时间,却能在教学中产生多方面的收益,除了激起学生兴趣,去认真观察实验、掌握相应知识外,还使学生对物理学史、对如何进行科学发现、科学研究,对攀登物理科学高峰的艰辛,须作出怎样顽强不懈的努力,有一些初步的了解与认识。

将演示实验拓宽、延伸,扩大演示实验效果

有些演示实验,在按课本演示完成后,留意将它们拓宽、延伸一下,也将会增加演示实验的教学效益。

如向学生演示、讲解了马德堡半球实验后,再用这两个橡皮半球去吸事前带到讲台上的一块玻璃,学生们立刻可想象到吸盘在玻璃制造厂,玻璃搬运中的应用,再给学生看看生活中挂衣帽用的塑料吸盘挂钩,这不是给学生以科学技术如何向生产实际应用转化的启发、教育?

又如做完托里拆利这一重要的演示实验之后,在下课前几分钟比较松弛的时间里,就着这个实验带来的水银材料,将螺帽或铁钉放入水银中,做一个“铁浮水银面”的实验给学生看看,学生从未见过,对接下来要学习的“浮力”一章教学,是不无好处的。

增加一些能帮助突破教学难点的演示实验,促使教学顺利进行在讲“物体的沉浮条件与应用”这一内容时,如果先做一下这样一个简单的演示实验:将一根筷子先后放进装有自来水和浓盐水的试管里(筷子上套一个小橡皮筋圈以标明水位变化位置)如图2(a)、(b)。再让学生来回答课本上“船从海里开到河里是上浮一点还是下沉一点”的问题,自然是清清楚楚,十分容易;根据眼前这个实验来讲比重计为什么可测液体密度、比重计的刻度问题,学生也容易理解、接受与掌握,记得这个实验现象,懂得它的道理。

再如对动滑轮支点的分析,见图3,学生往往不能理解动滑轮支点是在旁边的O处,他们想象不出这一点在一个短暂的时间里是相对静止的。如果补充这样一个演示实验——在铁架台上绑一根白塑料皮铝线,并使其一部分水平地掠过动滑轮直径;在滑轮上过直径贴一细白纸条,并使白纸条与铝线重合,如图4(a),这时再将它的自由端拉动一点,学生即可清楚地看到O点确是“不动”的,如图4(b)。明显的效果,使教师不用再多作解释。

可见,如何使演示实验在物理学中发挥更大作用,给教学带来更大更好的效果,是值得在教学中认真研究,仔细琢磨的。

物理演示实验的课堂操作与运用(二)

努力提高演示实验质量

(1)注重实验效果

中学物理课,对问题的研究基本上还是属于定性的范围。

同时,中学生的观察能力、理解能力也还在发展过程中。因此,在效果基本相同的情况下,所选择的实验应尽可能做到结构简单、主体突出、能见度好。这样能使学生把主要的注意力集中到研究有关的物理现象和物理规律上来。杭州一中夏蒙森老师以力学实验为例作了说明:

气垫导轨、电子计时器固然是先进的仪器,解决了力学实验中的许多老大难问题,但对说明匀速运动、变速运动的概念来说,还是以滴液瓶的效果为好。又如在讲振动图线时,曾见到一种实验设计是使摆球在加有电位差的电解液中摆动,用示波器来显示摆球电位的变化。其实这不如用悬挂着的滴水漏斗直接在移动着的纸上画出曲线来得直观、清楚。我以为在实验中,能用简单的仪器,即不用复杂的、精密的、贵重的仪器。有的效果很好,甚至带有突破性的实验,就常常是用很简陋的装置做成的,原理也往往非常简单。当然,有的实验是必需用比较复杂和精密的仪器的,例如高中交流电单元中用示波器比较交流电路中电流电压间相位关系的实验就是这样。

(2)演示时要交代实验条件

演示实验跟教学的其它环节一样,也应是师生的双边活动。演示时,一定要使学生明确实验的目的,了解实验的原理、方法。对目的在于测得某些数据或探求某些规律的实验,除应交代清楚这些数据如何测得,这些规律如何在实验中反映出来之外,还要强调进行这些测量或研究这些规律的条件,以及实际上是如何保证这些条件的。因为各种物理数据,常常依赖于测量时的条件,而各种物理规律也总是在一定的条件下成立的。例如测定一个用电器的额定功率,就应强调必须在额定电压的条件下读出电流的值,并且在演示过程中清楚地向学生显示是如何通过调节变阻器使电压达到额定值的。又如做验证查理定律的实验,就应强调必须在保持一定质量气体的体积不变的条件下,通过改变它的温度来研究它的压强的变化规律,并且在演示的过程中清楚地向学生显示是如何保持气体体积一定的。

(3)演示中采用比较的方法