加深对物理实验优化创新研究,促进教师专业化

陈 栋

(灌云县下车中学,江苏 灌云 222231)

对于实验理论知识和基本技能操作的熟练程度,只是促进教师专业化发展的基本模式、基本途径和基本条件．在此基础上,如果能对初中物理实验再进行深入的思考、进行优化和创新,必然又将进一步促进教师专业化发展的步伐．

1 有对实验进行思考的意识和行为

案例1.苏科版物理教材9年级上册“活动11.2:探究杠杆的平衡条件”．

思考1:杠杆为什么要调节到水平位置平衡?

图1

2007年湖南省株洲市中考物理试卷有这样一题:在机械制造中有一个给大飞轮定重心的工序,该工序的目的是使飞轮的重心发生微小的位移,以使它准确位于轴心上．如图1所示,一个质量为M=80 kg、半径为R=0.6 m的金属大飞轮可在竖直平面内绕轴心(图中两虚线的交点)自由转动．用力推动一下大飞轮,飞轮转动若干周后停止．多次试验,发现飞轮边缘上的标记F总是停在图示位置．

根据以上情况,可以初步确定飞轮重心P可能在图中________．

(A) 轴心正下方的某一位置.

(B) 轴心左侧的某一位置.

(C) 轴心右侧的某一位置.

图2

答案：(A),飞轮重心P可能在轴心正下方的某一位置,如图2中的P点．

思考2:如何设计探究过程?

(1) 钩码和弹簧测力计的位置保持不变,改变钩码的数量.

(2) 钩码的数量和位置保持不变,改变弹簧测力计的位置.

(3) 钩码的数量和弹簧测力计的位置保持不变,改变钩码的位置.

操作步骤.

步骤1:将杠杆调节到水平位置平衡,如图3所示,设左边钩码对杠杆的拉力为阻力F2,左边钩码对杠杆的拉力为动力F1,通过改变两边钩码数量和位置,获取4组数据,填入表格(如表1).

图3 图4

图5

步骤2:如图4所示,钩码的数量和钩码的位置保持不变,改变弹簧测力计拉力的方向,使其分别向左和右倾斜,获取2组数据,填入表格.

步骤3:如图5所示,钩码的数量和钩码的位置保持不变,改变弹簧测力计拉力的方向,使其分别保持竖直向上、向左和右倾斜,获取3组数据,填入表格.

表1 探究杠杆的平衡条件

感悟：此案例,笔者将教学过程中遇到的问题、备课组讨论的问题,以及学生作业、考试中暴露的问题进行归纳、思考和探索,并且研究出一些想法．

2 有对实验进行优化的意识和行为

图6

案例2：“探究红外线热效应”的活动(如图6所示).

在实际教学中, 教师们普遍反映, 无法达到教材所预期的实验现象——温度计的示数根本就不会改变．

为了突破这个难题,笔者查阅了相关资料,并且进行了许多的尝试和研究,发现:将温度计的玻璃泡涂黑,看不出现象;换用电子温度计并且把探针涂黑,现象还是看不出;换用演示用的大三棱镜,现象还是看不出．

改进1:改进“温度计”——自制“空气温度计”,使现象放大更明显(如图7所示)．

图7

考虑到经过三棱镜折射得到的红外线强度较小,同时普通温度计测温液体比热容和质量都较大且玻璃泡向光面积较小,使得测温液体的膨胀量少,导致现象不明显．针对以上缺点进行改进——自制“空气温度计”．这样可以利用“气体热胀冷缩比液体更明显”的特点,将红外线的热效应现象进行放大．

图8

改进2：改进红外线获取方式,使现象更明显(如图8所示)．

笔者经过研究发现:在常规实验中,使用的三棱镜单个表面透光面积都比较小,导致折射得到的红外线强度也较小．为了能使“红外线的热效应”现象明显显示,第二个角度就是通过改进获取方式得到更多的红外线,同时将其强度增加．

通过查阅相关资料获知,CS2和CCl4(本身就是液体)都能很好地透过3.4 μm波长的红外光;球形容器注有液体后可以对光线具有汇聚作用．

这样操作,既可以大大增加红外线数量,同时也能将大量红外线汇聚,使红外线的热效应现象放大．经过尝试,将普通温度计的玻璃泡用黑色碳素墨水涂黑(或将电子温度计的探针涂黑)将其放置在A点右侧缓慢移动,寻找红外线的汇聚点,很容易就发现温度计的示数有较大上升．

图9

改进3：改进红外光源,使现象更明显(如图9所示)．

笔者继续研究发现:太阳光谱上红外线的波长大于可见光线,波长为0.75～1000 μm．红外线可分为3部分,即近红外线,波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm之间;中红外线,波长为(2.5-3)～(25-40)μm之间;远红外线,波长为(25-40)～1000 μm 之间．如果天气不好,或则其他原因,以上改进无法满足的情况下,可以通过改进“红外线光源”来完成实验．

可以替换太阳光中红外线的光源有:

(1) 白炽发光区,又称“光化反应区”,由白炽物体产生的射线,自可见光域到红外域．如白炽灯泡(钨丝灯)．

(2) 卤素灯所发出的光95%在红外线波长的范围之内,它能量特性基本上与红外线灯相同．

(3) 热体辐射区,由非白炽物体产生的热射线,如电熨斗及其它的电热器等,平均温度约在40 ℃左右．也可以将普通铁球加热之后替代．

以上前两个“红外光源”可以直接和改进2进行结合使用,实验现象经过检验非常明显,而且可以使用普通温度计,玻璃泡涂黑．对于第三个“红外光源”,以加热后的铁球为例,可以进行以下简单改进,如图9所示．

感悟：在初中物理实验教学过程中,经常会出现一些诸如案例6类似的实验,要么实验现象非常不明显;要么不适宜演示;要么仪器太专业、太贵,无法普及．这时,如果能对已有实验教学改进和优化,为实验教学服务,同时也能为促进教师的专业化发展提供又一条路径．

3 有对实验进行创新的意识和行为

案例3：简单直流电动机的模型.

此题为2013年连云港市初中物理实验技能大赛决赛题,全市80多位参赛教师,能成功使电动机模型转起来的只有寥寥3位．

笔者经过总结发现,如此多的初中物理教师在这个“实验操作试题”上失败,一则与时间紧张(20 min完成4个实验,平均花在此题上的时间约为5 min),二则就是提供的漆包线与教材提供的不一样——苏科版教材中绕制线圈的是细漆包线,而比赛时提供的却是0.8 mm直径的漆包线．

如果按照教材的方式绕制线圈,必然会导致线圈质量太大而无法转动的现象;同时,由于给定漆包线长度也有限,很多教师在绕制完线圈后无法制作支架而以失败告终;有几个教师绕制了单匝线圈,但是由于没有考虑平衡性,导致线圈无法持续转动,最终也失败了．

笔者针对以上分析,通过研究制作了如下简易直流电动机模型．

模型1:原始模型——转子加换向器(图10).

器材准备:0.5-0.8 mm直径的漆包线(铜芯)20-30 cm 1根;1号或2号1.5 V干电池一节;大号别针2个(1号电池配大号别针,2号电池配中号别针);强力磁体1个(圆形或则条形都可,淘宝商城有售,1.2-2元一个);小刀1把;胶带纸1卷(尽量稍微宽一点).

该方法虽然解决了线圈绕制带来的问题,但是仍然存在一个难题——漆包线两端绝缘漆的“刮漆”问题．有没有什么方法可以避免这个问题呢?笔者继续研究,创新了下面第二种简易直流电动机模型．

图10

模型2:简化电动机——无需换向器(图11).

器材准备:0.5-0.8 mm直径的漆包线(铜芯)30-40 cm 1根(如果不是1号干电池,长度可以减少);1号1.5 V干电池1节(1号、2号、7号都可以);柱形强力磁体1个(或则3个纽扣型);小刀1把．

图11

工作原理:在该设计中,由于左右两根漆包线中的电流方向一样、所处磁场方向一样,所以所受磁场力方向也一样,但是由于它们在两边,所以转动力矩方向也就一样,从而可以使线圈持续向一个方向转动而不需要换向器．特别要说明的是,干电池的外壳也被强力磁体磁化了;强力磁体本身也起了导电的作用．

该方法可以将线圈两端的绝缘漆全部刮除,同时也简化了线圈绕制和平衡问题．那么有没有彻底不需要线圈的简易直流电动机模型呢?笔者又进行研究,又创新出了以下的第三种简易直流电动机模型．

模型3:创新电动机——无需线圈.

器材准备: 1.5 V干电池1节(1号、2号、7号都可以);强力磁铁片1个(例如:磁铁片N42 D20X1mm,淘宝商城有售);铁钉1枚(大小随意);导线1根(最好是多股细线的导线)．

工作原理:如图12所示,当电路接通时,电流就会沿OA方向流动,这时强力磁铁片的径向部分就会受到磁力作用,该力方向沿该点切线方向,从而使强力磁铁片带动铁钉一起连续转动．同样,铁钉也被强力磁体磁化了;强力磁体本身也起了导电的作用．

图12

感悟：通过本案例,笔者认为:如果初中物理教师们在平时的实验教学中,多一点创新意识、多一点创新尝试、多一点创新制作和研究,那么对于初中学生学习物理的兴趣的提高、方式的改变和能力的增强必定会有一定的引领和促进作用;同时,对于教师自身的专业知识、专业能力和专业发展也必定起到一个积极的促进作用．对于实验教学的设计、实验仪器的创新,自制教具等题材,也是促进教师的专业化发展的又一条路径．