以通电灯泡为道具的科学探究课的教学设计及实践

李科敏

以通电灯泡为道具的科学探究课的教学设计及实践

李科敏

设计并组织了一场以通电灯泡为道具的科学探究课，学生在开展科学探究的过程中，既学到了热传递方面的科学知识，锻炼了实验操作能力，又训练了语言表达能力，培养了探索精神和理论联系实际的作风。

通电灯泡;科学探究;教学设计

在科学探究课中，学生在教师的指导下，以完成探究课题作为目标牵引，学生不仅可以主动获取知识和技能，也可以训练语言表达能力和辩证思维能力，还可以培养探索精神、科学态度和理论联系实际的作风。在教学中，笔者将全班学生分成若干个探究小组，每组6－7人，设计并组织了一场以通电灯泡为道具的科学探究课。

一 创设情境提出问题

教师:有两个完全相同的白炽灯泡甲和乙，其额定功率是100W(或60W)，现在同时给甲乙两灯泡通电(强调实验的操作步骤和应注意的事项)，控制灯泡两端的电压，使甲灯正常发光、乙灯的灯丝微红(即刚刚点亮)，通电3－5分钟后再断电，让学生用手仔细感受两灯泡各处的冷热程度。然后，一起交流自己的发现，并向全班报告本组发现的结果。

学生A:甲灯(正常发光)的玻璃处处几乎一样地烫手。

学生B:乙灯(灯丝微红)只有位于灯丝正上方的玻璃烫手，其它部位的玻璃几乎没有变热。如下图所示。

教师:如果改变灯丝放置的位置、发光的状态，又会出现什么情况呢?

学生开始用实验寻求答案。

学生B只改变灯泡放置的位置重复上述实验。即待灯泡温度降到室温，把灯丝上方的玻璃置于灯丝的下方等位置，重复上述实验，然后自豪地报告:当乙灯的灯丝微红时，灯丝正上方的玻璃总是最热的;当甲等的灯丝正常发光时，玻璃处处几乎是一样烫手。这两个结论与灯泡放置的位置无关。

学生C只改变灯泡的发光状态重复上述实验。即待灯泡温度降到室温，让原来正常发光的甲灯变为灯丝微红，让原来灯丝微红的乙灯变为正常发光。通过实验后发现:不论是甲灯还是乙灯，若灯丝处于微红状态，其正上方的玻璃总是逐渐变得烫手，而其它部位的温度几乎和室温一样;若灯丝正常发光，灯泡各处的玻璃变得一样烫手。

二 指导方法，引导探究

1.汇报实验结果，展开学习讨论。

教师:同学们发现“灯丝微红一段时间后，其顶部玻璃的温度高而其它部位的温度几乎不变;若灯丝正常发光，整个灯泡玻璃的各处很快变得几乎一样烫手”。为什么会出现这些现象呢?要探究发生这些现象的本质，首先应该了解热传递的方式和规律。请大家查阅相关资料，并把自己获得的结论整理好，然后与大家一起交流讨论。

2.汇报查询结果，展开学习讨论。

教师:同学们，请就热传递问题，先讨论各自的看法，然后再报告你们获得的相关知识。

学生A:两个接触的物体只要冷热不同就会发生热传递，而且热总是从热物体传到冷物体，直到两个物体一样热为止。

学生B马上补充:同一物体上如果存在冷热不同也可以发生热传递。例如，在冬天，我的脚冰凉时，我常用自己温暖的手把脚握热呢。

学生C:热传递有传导、对流、辐射三种方式。传导是固体传热的主要方式，它是由于固体中大量分子、原子或电子的相互碰撞，而使热量沿着固体从温度较高部分传到温度较低部分的过程;对流是液体或气体传热的主要方式，它是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动而使温度趋向一致的传热过程;辐射是传热的又一方式，它是受热物体通过电磁场辐射的方式向外传递热量的过程，物体的温度越高，相应的辐射越强。

学生B:各种物质传导热的本能不同，金属(如铁、铝等)传导热的本能较强，是热的良导体;玻璃、陶瓷、木材等非金属传导热的本能较差，是热的不良导体。产生对流的根本原因是由于液体或气体通常具有热胀冷缩的性质而导致液体或气体的循环流动。辐射传热不需要像传导、对流那样必须借助介质，例如地球和太阳之间的空间有很长一段距离是真空(即没有物质)，但太阳的热量仍然可以通过辐射的方式传到地球上来。

教师:不良导体可以传导热吗?

学生D充满自信地说:不良导体应该可以传导热。我妈在家经常用陶瓷坛子蒸鸡，蒸出来的鸡还特别香呢，这说明陶瓷(不良导体)也能传导热。还有，燃烧着的木头，靠近燃烧处很烫手，这说明木头这种不良导体也是可以传导热的。总之，不良导体可以传热，只是传得慢一些而已。

教师:如果坛子蒸出来的鸡真的很香，大家再探究一下为什么会很香?这对提高做菜的水平一定很有参考价值哦。此外，靠近燃烧处的木头变得烫手，是不是还可能有其它原因呢?

学生D:嗯。我再想想……热会不会从燃烧处以对流或辐射的方式沿木头向外传递呢?

学生C:对流也是热传递的一种方式，但它只能发生在液体或气体之中。通常是这样的，位于下面的液体(或气体)若受热就会自动向上运动，同时它上面的冷液体(或冷气体)会随之向下运动形成对流，在对流的过程中，热液体(或热气体)把热从下面向上传递。燃烧的木头中应该很难发生对流传热吧，因为木头中没有液体和气体啊。

学生D:在对流传热中，热可否从液体(或气体)的上面向下面传递呢?

学生B:一般只能从下面向上传热。这是因为液体(或气体)受热时体积会膨胀，膨胀后的液体(或气体)只会向上运动。

学生D:为什么受热膨胀后的液体或气体只能向上运动呢?

学生F:受热膨胀后的液体或气体肯定受到一个比其重力更大的、方向向上的作用力。

教师:是的，这个方向向上的作用力肯定存在，至于它的性质留给大家以后继续探讨。

学生C:热传递还有一种方式是辐射。传导和对流需要借助介质才能传递热，而辐射不需要依靠介质，它是热同时向四周传播的一种方式。例如真空不能发生热的传导或对流，但可以借助辐射传递热。可见，辐射应该是燃烧的木头向外传导的一种方式。

学生D:这样说来，热从木头的燃烧处传到其它部位，应该是通过传导和辐射两种方式传递的。

学生A:我觉得主要是通过辐射的方式传递的，因为木头毕竟是热的不良导体。

学生D:我觉得主要是通过传导的方式传递的，因为辐射在木头中传递会受到很大的阻碍，就好像我们在水中行走会受到很大阻力一样。

教师:木头燃烧时，沿着木头传递热量，传导和辐射到底哪个更强，请大家查阅相关资料再继续设法探讨。刚才，大家就热传递问题进行很好的交流，请哪位同学来做个总结?

学生总结:略。

［设计意图］:让学生在讨论交流中学习热传递方面的知识，并培养学生的语言交流表达能力和辩证思维的能力，也为探究白炽灯泡产生的不同现象做好知识准备。

3.针对问题探究，寻找本质原因。

教师:现在我们一起来讨论灯丝发光时其周围玻璃变热的原因。

学生A:我通过查阅相关资料发现，正常发光的100W灯丝的温度可以高达2000℃，它此时主要依靠辐射的方式向四周传递热量。由于辐射不需要依靠介质，所以向四周各个方向辐射的强度是相同的，从而导致灯泡上各处的玻璃都变得烫手。

学生E:我查阅过相关资料，发现为了阻止钨丝在高温下挥发，40W以上的白炽灯泡内都充氮气、氩气等惰性气体。既然有气体存在，灯丝正常发光时，对流和传导也应该是灯丝向外传递热量的方式，只是在相同时间内对流和传导传递的热量远小于辐射传递的热量。或者说，灯泡正常发光时，对流和传导相对较弱，灯丝产生的热量主要是以辐射的方式向外传向灯泡各部位，因而，我们还是感到灯泡各部位是一样的。

教师:学生E刚才的解释，大家感到合理吗?

学生A和B:应该是圆满地解释了上述问题。

教师:那灯丝微红一段时间后，为什么会出现只灯丝顶部的玻璃烫手呢?

学生沉思。

学生F:灯丝微红时，灯丝的温度较低，它产生的热量主要是以对流的方式传向灯泡玻璃，而辐射和传导传递的热量与对流的相比已变成次要部分，而对流是受热气体向上流动传热的过程，所以会出现只灯丝顶部玻璃烫手而其它部位几乎没有变热的现象。

学生C:我同意F同学的看法。由于灯丝的温度越高，它向外辐射热的本领越强，所以，100W灯丝微红时因其温度较低导致辐射较弱而主要以对流的方式向外传热，灯丝正常发光时因其温度很高而主要以辐射向外传热。

教师:很好。现在大家都认为“灯丝微红时只有其顶部玻璃变热是由于灯泡内的气体产生对流所致”。你们能设计一个实验来验证这个说法吗?

学生沉思。

学生E:我查阅资料时发现，25W的白炽灯泡内是真空。如果100W灯丝微红时是因灯泡内气体对流导致其顶部变热是正确的话，那么，让25W灯丝微红一段时间，灯泡顶部应该和其它部位一样热，因为它内部是真空不可能产生对流传热，此时，传热的方式只可能是辐射。

这是一个好主意。学生们立即兴奋地找来了一个25W的白炽灯泡进行实验。

学生F:25W灯丝微红一段时间后，灯泡上各处确实是一样热!这说明100W灯丝微红时确实主要靠灯泡内的气体对流来传递热的。

学生A好奇地问:100W白炽灯泡中为什么要充有氮气、氩气?

学生F:我已经查阅相关资料，这是为了阻止钨丝在高温下挥发掉而延长钨丝的使用寿命，因为100W灯泡发光时温度太高了。此外，这还可以平衡一些大气压强对灯泡产生的压力起到保护灯泡不被压爆的作用。还有呢?就是可以拉动相应的消费，促进经济发展和增加就业机会。

学生A:氮气、氩气为什么能阻止钨丝在高温下挥发?

大家都感到茫然了。

教师:大家以后再去查阅相关资料继续探讨这个问题。

［设计意图］:创设民主自由的探究氛围，使学生在讨论交流和实验操作的过程中，既获得相关的物理知识又促使学生手脑的协调发展，既享受到科学探究的酸甜苦辣，又训练学生的科学精神和创新思维。

4.教师总结。

刚才，我们对通电灯泡在不同受热情况下出现的不同现象进行了探究，知道了热传递的条件(相接处的两个物体有温度差)和热传递的三种方式(传导、对流、辐射)等规律，发现“在灯丝微红时，100W的白炽灯因灯泡内充有气体而主要通过对流传热，从而使得灯丝顶部的玻璃会变得更热;而25W的白炽灯因灯泡内是真空(没有气体)而主要依靠辐射传热，因而其灯丝顶部的玻璃和其它部位的一样热。在正常发光时，灯丝的温度很高，主要是依靠辐射把热传向灯泡玻璃，所以，总会感到灯泡各处几乎一样很热。”另外，同学们在这次探究中表现出来的积极性和主动性都值得提倡和表扬，希望大家坚持下去，这样，你们不仅可以学到许多有趣的知识，还可以培养自己多方面的能力。

三 教学反思

这次探究课以通电灯泡为道具，引导学生带着探究的问题去查阅资料，主动学习了有关热传递的物理知识，并尝试利用热传递知识解决了探究的课题。在探究的过程中，学生不仅获得了相关知识，锻炼了实验操作技能，训练了学生的语言表达能力和辩证思维的能力，而且体验了科学探究的酸甜苦辣，培养了学生的探索精神、科学态度和理论联系实际的作风。

A Teaching Design and Practice of Scientific Inquiry Using Lighting Bulbs as Props

Li Kemin

A scientific inquiry using lighting bulbs as props is designed and organized.Students have not only learned the knowledge of the heat transfer and the operation ability，but the language ability，the inspiration of discovery and the principle of integrating theory with practice in the process of scientific research has been developed.

lighting bulbs;scientific inquiry;teachingdesign

G642.0

A

1672－6758(2012)03－0018－2

李科敏，博士，副教授，湖南理工学院，湖南·岳阳。邮政编码:414006

湖南省普通高等学校教学改革研究项目“借助改进和设计实验提升师范生综合素质的研究”，项目编号:287

Class No.:G642.0Document Mark:A

(责任编辑:蔡雪岚)