晶体和非晶体导热性能比较实验的探讨

郑少山,李春密,李正福

(1.河西学院物理科学与电子技术系,甘肃张掖734000;2.北京师范大学物理系,北京100875)

晶体和非晶体导热性能比较实验的探讨

郑少山1,李春密2,李正福2

(1.河西学院物理科学与电子技术系,甘肃张掖734000;2.北京师范大学物理系,北京100875)

针对“晶体与非晶体导热性能比较实验”成功率不高的问题进行研究,给出了典型材料的对比实验结果,并深入探讨了影响实验的关键因素,同时对新课程中的实验研究进行了分析和反思.

晶体;非晶体;导热

1 引 言

普通高中课程标准实验教科书(人民教育出版社)《物理》选修3-3第9章第1节“晶体与非晶体”中有个实验[1],用以演示晶体与非晶体的导热性质不同.教材采用烧热的钢针接触涂有蜂蜡的云母片和玻璃片的背面,分别得到了椭圆和圆形的蜂蜡熔化区域,由此说明云母和玻璃导热性能存在着差异,进而给出晶体(如云母)导热性能各向异性、非晶体(玻璃)导热性能各向同性.但是有不少教师反映,按照课本的做法,实验现象并不明显.有鉴于此,我们对此实验进行了研究,并将实验过程及操作要点整理出来,以便交流.

2 实验器材和装置

蜂蜡、石蜡、云母、玻璃、25 W电烙铁、铁架台、升降支架、直径2 mm铜丝20 cm左右、U型片.实验装置如图1所示.

主要实验器材的作用:

1)恒温点热源的制作.将铜丝的一端缠绕在电烙铁上,另一端留置7～8 cm,并打磨成针状,以点热源的形式通过接触云母或玻璃熔蜡.注意,点热源的针身长度要与电烙铁的功率相匹配,针身过长,铜丝散热过快;针身过短,电烙铁辐射影响蜂蜡熔化.

2)云母或玻璃的安放.U型片作为夹具,用来夹住玻璃或云母,便于水平固定.也可寻找其他代用品,笔者用气垫导轨上的遮光片代用.

图1 实验装置

3)热源的固定.升降支架用来固定电烙铁,方便电烙铁的升降,根据需要将点热源与云母(玻璃)接触或者分离,同时在实验中保证针状点热源与云母(玻璃)接触点稳定.

3 实验步骤与操作

蜂蜡或石蜡的涂覆是实验的关键操作,其他不需要赘述.在实验中云母上采用了刮涂法,玻璃上采用热熔法.

刮涂法即先将小块的蜂蜡或石蜡放在云母上,将云母放置在水平桌面上(桌面应该是硬质的或在桌面上放玻璃),用电吹风热风将蜂蜡或石蜡烤软,用壁纸刀在云母上刮涂形成一层薄膜.刮涂时应尽量使厚度均匀,同时刮涂应在各个方向上都做一次,避免出现某些点刮涂不上的情况出现.刮涂形成薄膜后待其冷却,用锋利的壁纸刀片垂直于薄膜刮削使薄膜的厚度达到合适且均匀,见图2.

图2 云母片的涂覆

热熔法即将小块的蜂蜡或石蜡放置于玻璃上,将玻璃水平放置在桌面上.放了蜂蜡或石蜡的那一段玻璃放于桌边缘外,用电吹风在玻璃下面加热,将蜡烤熔,使蜡在本身表面张力下冷凝后在玻璃上形成薄膜,见图3.

图3 玻璃片的涂覆

参照图1,将实验仪器搭接好后,就可以给电烙铁通电开始实验了.

4 实验结果

实验用蜂蜡和石蜡进行了对比,说明蜂蜡和石蜡用来实验均可.二者的区别仅是在薄膜厚度较小的情况下,蜂蜡较石蜡透明度差,涂在云母上较容易观察,见图4～5.蜂蜡和石蜡的熔化过程如图4～7所示.

图4 涂覆云母上蜂蜡的熔化过程

图5 涂覆云母上石蜡的熔化过程

图6 涂覆玻璃上蜂蜡的熔化过程

图7 涂覆玻璃上石蜡的熔化过程

5 分析和思考

5.1 实验分析

由实验结果照片可以看出,云母和玻璃导热是有明显区别的,尤其是烧熔最大区域的比较有很明显的不同.一个近似是椭圆,另一个近似是圆,由此比较可得云母和玻璃导热的差异性.但从图片上看出一个问题,玻璃的圆似乎有一点偏心,这是实验中玻璃水平度控制不好,有一点斜度造成的.

实验由于可视范围较小及采用了支架等原因,学生观察不方便.该问题应用多媒体技术可较好地解决,这里不再多述.

本实验难点之一是蜡的涂覆,实验中同时用了蜂蜡和石蜡,文中介绍了2种涂覆方法,云母涂覆用了刮涂法,玻璃涂覆用了热熔法.但这不是必须的,2种方法交换也是可以的.实际上涂覆的方法还有很多,例如将蜡溶解于溶液中制成蜡溶液涂在云母和玻璃上,教学中教师完全可以让学生去探究寻找更好的方法.关键是涂覆均匀且厚度合适就可以达到实验的要求.

5.2 思考和启发

在实验的过程中,笔者思考了这样一个问题,在教学中如何使用课本?课本是重要的教学资源,但不是惟一.若视课本为惟一,使每一个学生都得到发展就不可能实现,物理教学也就会变得乏味和单调,使生动的物理学变成一堆死的公式和记忆的程式.这也是造成我国教育千校一面的原因之一.课本给教师留下开发的空间,才可能使教学具有生成性,才可能满足不同学生发展的需求,才有可能满足个性化教学的需要.课本预留了空间,探究才有了意义,更会使课堂探究生动以及引发学生探究的兴趣.而这正是课程改革所追求的.所有这一切都给教师带来了新的挑战,在新课程教学中,教师不仅要转变课程实施观念,同时,也应该有与新课程对应的课程观、教材观.

本实验教材所给仅仅是一个指导性的方法,关键在于使用教材时要正确地理解和把握.教材是一种教学资源,不应该将其视为教学手册,指导性意义应该更多一些,尤其是在新课程当中,这种倾向更强一些.所以本文在前面叙述时采用了“教材指导方法”的说法.笔者认为对课本中此实验正确的理解应为材料可用云母和玻璃(晶体和非晶体),显示导热差异性可用蜂蜡,烧熔用接触点热源.至于实验过程及操作中的注意事项等问题,教材并没有给予非常具体的解释,例如云母和玻璃上蜂蜡的涂覆及如何去烧熔等,这些都给教学中教师带领学生探究留下了很大的空间.实验中除了正确认识教材的指导方法外,实验的关键之处也是关系实验成败的主要因素.笔者认为关键处如下:1)云母片要薄;2)烧熔材料蜡的涂覆要均匀且薄厚有一定要求;3)烧熔热源是点源且烧熔过程中接触点要稳定;4)烧熔过程中要尽量使云母片和玻璃保持水平.

笔者认为课本中安排的晶体与非晶体导热实验有独到之处,预留了教师开发教材的空间,有学生探究的空间,留下了在教学中引导学生去创新的空间.

[1]人民教育出版社物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·物理[M].北京:人民教育出版社,2008.

[2]李春密.中学物理实验技能训练[M].天津:天津教育出版社,2006.

[3]安忠,刘炳升.中学物理实验教学研究[M].北京:高等教育出版社,1986.

[责任编辑:尹冬梅]

Analysis on the thermal conductivity experiment of crystal and amorphousmatters

ZHENG Shao-shan1,L IChun-mi2,L IZheng-fu2
(1.Department of Physics,Hexi U niversity,Zhangye 734000,China;2.Department of Physics,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)

For the low success rate of the comparative experiment of thermal conductivity of crystal and amo rphousmatters,the resultsof the experiment on typicalmaterialsw ere given,and the critical factors of the experimentwere discussed.A t the same time,the experimental research in the New Course was analyzed and reflected.

crystal;amorphousmatter;thermal conductivity

G633.7

B

1005-4642(2011)01-0025-03

2010-06-28

郑少山(1962-),男,甘肃临泽人,甘肃河西学院物理科学与电子技术系副教授,学士,从事物理课程与教学论教学、研究.

李春密(1966-),男,河北迁安人,北京师范大学物理系教授,博士,主要研究物理课程与教学论和学科发展能力.