自制实验演示仪——探究光与热的关系

吕启刚 王文斌

教学背景

光与热关系实验，是通过观察光（主要指太阳光）的强弱变化对气温变化的影响，从而得出光的强弱和温度的关系。然而在实际教学中，如果碰到阴雨天，实验就无法进行。即使有太阳，但如果太阳时隐时现或有较大的风，都会影响实验的效果和数据的准确性。其实，许多光源在发光的同时也在发热，比如白炽灯、蜡烛等，因此我们可以在教学实验中用白炽灯代替太阳来作光源。

我们可以自制教学仪器：用光线传感器检测光线的亮度;用温度传感器检测温度;用镜子把灯泡的光反射到板上，使传感器的亮度更高;掌控板则可以实时显示亮度和温度的值，而且还能通过网络在电脑屏幕上显示。自制光与热关系实验演示仪不仅解决了前面的诸多问题，还可以使学生更直观地观察光线和温度的变化，提升综合素质。

教学目标

知识与技能 了解许多光源在发光的时候也在发热;知道太阳是地球最大的光源和热源;认识光线的强弱和温度的关系，光越强温度越高，光越弱温度越低。

过程与方法 能对光和热的关系作出推测;通过实验观察，对比探究光与热的关系;整理获得的信息，根据实验的数据绘制出折线统计图;自觉地将实验结果和假设进行对照。

情感态度与价值观 认识到自然事物之间是有联系的，自然事物的变化是有规律的;了解人们只有掌握了自然规律才能更好地生产和生活;理解实事求是地记录观察数据是科学探究的重要方法。

教学重点与难点

教学重点 亲历实验过程，能通过数据比较和分析，解释光和热的关系。

教学难点 细心观察，耐心记录数据，绘制出比较准确的折线统计图。

教学准备

一、光与热关系实验演示仪的制作

1.准备材料

掌控板1个，掌控板扩展板1个，温度传感器1个，光线传感器1个，底座可以旋转的镜子5个，白炽灯和灯座各1个，开关1个，亚克力板2块，木料、螺丝帽若干。

2.搭建装置结构

运用木料和螺丝帽搭建木质支架，然后将5面底座可以旋转的镜子固定在木质支架上，便于自由选择使用几面镜子进行反射。光源采用发热量较大的100W白炽灯泡，灯泡前面架设一块白色亚克力挡板，白色一面增强反光，黑色一面阻挡光线透过亚克力板。仪器最后支起一块白色屏幕，可以清楚地辨别不同数量镜子反射的光线的强弱，屏幕中间固定一个光敏电阻传感器和热敏电阻传感器，可以迅速感知亮度和温度的微弱变化，两个传感器通过数据线分别连接掌控板的P1和P2，从而在掌控板屏幕上清楚地显示亮度和温度的数据。仪器具体结构如图1。

3.编写程序

硬件准备完毕，就需要编写程序来实现功能。掌控板的程序如图2，需要实现的主要功能有Wi-Fi联网、亮度温度获取，并在掌控板的OLED屏中实时显示亮度温度，同时发送数据到TinyWebDB服务器。

掌控板通过Wi-Fi可以把数据发送到TinyWebDB服务器，在网上实时存储亮度和温度的数据，然后用Mind+在实时模式下读取TinyWebDB服务器中的数据，每隔一秒读取一次，在舞台上实时显示，并同步存储到列表中。Mind+实时模式下的程序如图3。

等实验结束，教师还可以把列表中的数据导出，再复制到Excel中，生成更加丰富的统计图表，便于学生观察对比。

二、准备教学课件

教师在网上查找光与热关系资料，下载人工孵化小鸡相关图片及短视频《自制鸡蛋孵化器》，结合这些资料制作教学课件。

教学过程

一、情境导学

教师播放短视频《自制鸡蛋孵化器》。

师：孵小鸡的主要条件是什么？为什么孵化箱里面有一盏灯？是拍摄时用来补光的吗？

学生讨论孵化箱里灯的作用。

师：生活中，灯泡一般是用于照明的，那么灯泡发光和发热有什么关系呢？你的猜想是什么？

学生讨论交流，对光与热之间的关系提出假设。

二、初步感知光与热

教师出示实验装置上的100W白炽灯，邀请两位学生上讲台体验。学生把手放在靠近灯泡的位置（注意千万不能碰到灯泡，灯泡打开后会很热，容易烫伤手），教师打开灯，让学生感觉一下手心温度的变化;再引导学生将手由远及近慢慢靠近灯泡，感知手心温度的变化。

学生得出结论：灯泡通电后会发光，发光的同时也在发热，离灯泡越近温度越高，碰到白炽燈可能还会烫伤人。

三、深度实验探究

师：光线的强弱跟温度的关系具体是什么样的呢？我们用仪器和数据说话。老师特地制作了一个实验仪器——光与热关系实验演示仪，有了它，我们可以直观地观察光线和温度的数据变化。

1.操作实验

教师请学生上台操作，并辅助其开展实验。先用1面镜子对准传感器，稍后是3面、5面。等温度上升到稳定状态，关闭灯泡，停止实验，温度下降。

师：接下来我重新邀请两名同学来操作实验，其余同学请根据屏幕上出现的数据填写实验记录，稍后绘制折线统计图。

教师随机邀请两名学生，重复操作实验，先用肉眼观察白板上不同数量镜子反射的光线强弱的变化，再通过大屏幕观察光线强弱和温度高低的数据变化，如图4。学生依据屏幕显示记录数据，并尝试绘制折线统计图。

2.数据导出与整理分析

教师导出掌控板中的数据，然后复制到Excel表中，并展示给学生观察分析。

师：通过这组实验数据，你发现了什么规律？结果和你的假设一致吗？

学生讨论交流。

教师将Excel表中数据进行整理，根据实验数据绘制丰富的折线统计图，帮助学生更加清晰地看到数据变化走势，明确光线强弱和温度高低的关系。

师：请大家看一看、比一比，分析自己画的折线统计图与Excel生成的折线统计图的区别。

学生观察、对比、分析，若有错误之处及时修改订正，保证实验结果的准确性。

四、交流拓展

师：通过这节课的学习探究，你明白了什么？有什么收获？

学生交流分享，进一步巩固知识。

教师小结：光和热改变了我们的生活，课后大家可以通过观察生活、网上查询等途径，收集古今中外和现实生活中巧妙利用光和热的例子，整理成文档，我们相互交流分享。

教学反思

光与热关系实验演示仪使用了灵敏度较高的电子元器件，不管是温度还是亮度，一切用即时生成的数据说话，说服力强，可靠性高，发挥出信息技术在辅助科学实验上强有力的优势。在科学实验过程中，学生既可以比较表格中即时生成的有关亮度和温度的数据，也可以观察经过加工处理的折线统计图，有助于学生更好地应用数学知识，比较和分析数据，有效检验自己的假设，教学效果十分显著。本课例涵盖了科学、数学、信息技术等学科知识，发挥了STEAM教育的优势，提升了学生的创新思维、实践能力和综合运用学科知识的能力。