运用数字化实验提高初中物理实验教学的有效性

程建军

(苏州市振华中学校，江苏 苏州 215006)

运用数字化实验提高初中物理实验教学的有效性

程建军

(苏州市振华中学校，江苏 苏州 215006)

数字化实验能实时记录实验数据并及时进行处理和分析,呈现物理动态变化的过程,在探索物理规律方面,有着一些传统实验无法比拟的优势.本文通过数字化实验在初中物理实验教学中应用的若干案例的实践分析,解决了一些传统实验中现象不明显、不能直观呈现、不能显示定量关系等有关难题,从而提高了初中物理实验教学的有效性.

物理实验教学；数字化实验；有效性

物理学是一门以实验为基础的学科,实验在物理教学中起着非常重要的作用,随着信息技术的迅猛发展和大数据时代的到来,物理实验方式也在发生变化,数字化实验正在逐渐进入中学物理实验教学中.数字化实验主要采用的是传感器、计算机以及数据采集器等结合在一起实验方式,数字化实验能实时记录实验数据并及时进行处理和分析,呈现物理动态变化的过程,在探索物理规律方面,有着一些传统实验无法比拟的优势[1].本文通过数字化实验在初中物理实验教学中应用的若干案例的实践分析,解决一些传统实验中现象不明显、不能直观呈现、不能显示定量关系等有关难题,从而提高初中物理实验教学的有效性.

1 探究电磁感应现象

在探究电磁感应现象活动中,传统实验采用多匝线圈在磁场切割磁感线,用灵敏电流表来显示感应电流,实际中灵敏电流表指针偏转非常小,现象不明显.而借助数字化实验用单根导线就可以探究电磁感应现象,打破了传统实验中多匝线圈的实验限制,这样设计更能为学生接受和理解,且实验效果非常明显.

具体实验过程如下:

图1

(1) 在蹄形磁铁的磁场中放置一根铝棒,铝棒的两端用漆包线与微电流传感器连接,再串联一个开关组成一个电路(如图1).

(2) 将微电流传感器通过数据线连接数据采集器,数据采集器通过USB数据线连接到电脑上.打开数字化实验软件,系统自动识别传感器,选择菜单栏“实验配置”中的“采集参数一定频率模式”,频率:40点/s,时间不限定,数据显示窗口设置为表盘模式.测量前首先“调零”微电流传感器,然后点击“开始”,开始采集数据.

(3) 尝试铝棒在磁场中静止、向上或向下运动、向左或向右运动等情况,观察微电流传感器是否有明显的读数,发现导体左右运动时微电流传感器是有明显的读数.然后断开开关,再让导体在磁场中左右运动,发现微电流传感器读数为0.通过探究得出感应电流产生的条件是闭合电路的一部分导体在磁场中切割磁感线运动,并且发现导体向左、向右运动时电流的方向发生改变,得出感应电流方向与切割磁感线运动方向有关,然后对调蹄形磁铁磁极,不改变切割磁感线运动方向,发现电流的方向也发生改变,所以感应电流方向与磁场方向也有关.

(4) 闭合开关,让铝棒在磁场中自由摆动,让学生观察屏幕上感应电流的波形变化(如图2),从中引出交流电的概念.

图2

本实验借助数字化实验仪器采集电磁感应产生的感应电流,具有“可视化”的优点.通过屏幕上的表盘模式显示感应电流变化和感应电流的波形图像直观反映了感应电流的周期变化,表盘显示比较适合初中生的认知水平,容易理解感应电流大小和方向的变化,而波形图对学生认识交流电的概念比较形象直观.

2 探究物质的比热容

图3

初中物理的“物质的比热容”这一节教学的中心任务是让学生通过实验探究了解“不同物质在质量相等,升高温度相同的情况下吸收的热量一般不同”,为比热容概念的得出打好基础.苏科版教材在实验探究中直接给的不同物质是水和沙石,由于两种物质传热方式不同,如果沙子搅拌不均匀,要得到沙子和水加热后温度均匀变化数据比较困难,实验中基本上得不出与理论相一致的结论,经常出现很多问题很难解释和处理[2].如果不同物质选择水和食用色拉油,实验效果得到明显改善.因为两种液体热传递方式一致,而且食用色拉油加热不会产生刺激气味,相比煤油更环保.如图3,实验中采用恒温电炉对两种液体进行加热,相比酒精灯加热更安全和稳定,可以控制水和色拉油在相同时间内吸收的热量相等.

具体实验过程如下:

(1) 用天平称取等质量的水和食用色拉油,放在同一个恒温电炉进行加热,保证加热方式相同.

(2) 用温度传感器连接采集器和电脑,实时采集和展示水和色拉油的温度的实时数据,同步绘出水和色拉油温度随时间变化的图像,如图4所示.

图4

(3) 分析论证.结合得到的温度随时间变化的图像,发现质量相等的水和色拉油,色拉油升温快,在升高相同温度的情况下,由于加热方法完全相同,也就是单位时间吸收的热量相同,加热时间越长,吸收的热量越多.所以,质量相等的不同物质在温度升高相同时,吸收的热量一般不同.

本实验采用温度传感器来采集两种不同物质吸热升温的数据,实验中曲线的自动绘制也吸引学生关注,通过图像学生很容易比较质量相同的两种不同物质吸热升温情况.通过引导，学生不但对比热容知识有了深刻的认识和理解,对相关的知识更加感兴趣,很主动地去思考和研究,课堂效率得以提高．

图5

3 焦耳定律实验探究

焦耳定律实验是初中物理电学中重要内容之一,也是一个难点.苏科版教材中将一段电阻丝浸没在一定质量的液体(如煤油)中,如图5,通电时电阻丝产生的热量被液体吸收,液体的温度就会升高,导体产生热量越多,液体吸热后升高的温度越大.将导体产生的热量转换成可以测量的液体升高的温度来进行比较,对于初中学生比较容易理解,但是实验可见度小,学生印象不深.本文尝试引入数字化实验系统温度传感器替代普通温度计,学生通过屏幕直接观察有关物理量的变化,实时记录了温度、时间、电流等数据,从测量的数据中研究电流产生的热量与电流、电阻、时间的关系.

具体实验过程如下:

(1) 在电阻和电流相同情况下,探究电流产生的热量跟通电时间的关系.如图6，将温度传感器插入液体中,闭合开关后开始采集数据.液体温度随时间变化数据如图7,发现通电时间越长,电流产生的热量越多,从数据中可以进一步得出电流产生的热量与通电时间正比.

(2) 在电阻和通电时间相同的情况下,探究热量跟电流的关系.通过调节滑动变阻器改变电流,在电流为0.5 A和1 A两种情况下测出同一段电阻丝(R=10 Ω)液体温度随时间变化数据,如图8.分析实验数据表明电流越大,产生的热量越多,同时还可以大致得出电流产生的热量与电流的平方成正比的定量关系.

图8

(3) 在电流和通电时间相同的情况下,探究热量跟电阻的关系.如图9,将两瓶中阻值不同的电阻丝(10 Ω和2.5 Ω)串联,测出等质量液体温度随时间变化数据,如图10.分析实验数据得出电流和通电时间相同时电阻越大,电流产生的热量越多,并且还发现电流产生的热量与导体的电阻成正比关系.

图9

通过实验测定可知,从测量的数据中容易得出电流产生的热量与电流、电阻、时间的定量关系,这是传统实验仪器不容易做到的,因此通过该测量方法能有效突破教学重、难点.同时让数据来说话,使科学规律的探究更具有严谨性和可信性,更有利于学生理解科学的本质,提高学生的科学素养.

该实验中由于液体冷却时间较长,不能连续重复演示,为了节省时间,可以多准备几杯等质量的液体进行更换,这样可以提高上课的效率,有利于组织课堂教学.另外,本实验没有在隔热环境下进行,散热因素对实验得出定量关系会造成一定的影响.

4 结束语

数字化实验是对传统实验的一个非常好的补充.在传统实验中，一些只能定性无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量上,数字化实验能发挥出巨大作用,成功地让学生们观察到了很多用肉眼不易观察的或较为抽象的实验现象和数据,避免了因实验过程太快和实验现象不明显而造成的实验现象难以观察,并实时将多种数据绘制成各种图像,通过对图像进行仔细的观察以及细致的分析,能够加深对实验特征的了解,帮助学生加强对物理概念以及规律的理解.但是,数字化实验毕竟不能完全取代传统实验,我们应积极地探索传统实验与数字化实验技术相互融合的方式,结合初中物理教学内容的重点、难点,有针对性地设计数字化实验,推动与促进初中物理实验教学质量的提升,增强学生进行自主探究的能力,促进学生学习方式向多元化转变,为今后学习研究拓宽视野.

1 张宁波.数字化实验在初中物理实验教学中的应用[J].物理教学探讨,2016,34(479):59-60.

2 许群山.对沪粤版“研究物质的比热容”实验的思考与改进[J].物理教师,2016,37(8):47-48.

2017-03-26)