本站原创摘 要： 中学物理教学对演示实验要求具有可见度大、清晰度高、简易方便等方面的要求.本文探讨了“固体金属受热膨胀实验”中利用杠杆原理对金属棒受热伸长量的一次、两次等多次放大,提高其可视化程度,以此探讨放大原理在中学物理教学演示实验中所起的重要作用.
关 键 词 ： 中学物理实验 放大原理 实验可视化 固体金属受热膨胀实验
物理学是自然科学中一门建立在实验基础上的学科,实验教学是中学物理教学的重要组成部分,是物理教学的灵魂.因此,中学物理实验也成为培养学生科学的观察、实验能力,科学的思维、分析和解决问题能力的主要课程之一.正如李政道先生所说：“教物理重要的是让学生懂道理等”[1]根据中学物理教学的目的和教学大纲的基本要求,在中学物理实验的教学过程中应使学生在科学实验的基本方法上有一个实在的感受,从而培养他们的探索精神和创造性,并受到科学方法的教育.
1.中学物理实验的重要性
物理学的形成与发展是以实验为基础的.物理学的研究方法通常是在观察和实验的基础上,对物理现象进行分析、抽象概括和总结,从而建立物理定律,进而形成物理理论,再回到实验中去经受检验[2].实验是物理科学的基础,也是物理知识的源泉.加强物理实验既是物理教学的时代特征,又是提高物理教学质量的先决条件.
学生实验是理论联系实际,具体与抽象相结合教学原则的重要实施方法.通过实验能帮助学生总结和验证物理规律,更好地从形象思维向抽象思维过渡.在实验过程中学生亲自动手操作,边观察边测定,边思考分析归纳,手脑并用,能培养学生观察能力和分析问题的能力和一丝不苟的严谨学风[3].加强物理实验教学,是提高物理教学质量的有效途径,对提高学生抽象逻辑思维能力很有帮助,能为今后学习物理知识打下坚实基础[4].
2.中学物理教学对演示实验要求
2.1实验要符合学生认知结构.
所谓认知结构就是存储于个人长时记忆系统内的陈述性知识和程序性知识.认知结构的一个重要特征涉及学生面对新任务时,他头脑中是否有与新的学习相关的概念或原理及其概括程度.原有相关概念或原理概括度越高,包容范围越大,迁移的能力即学习新知识的能力越强.所以教师要选择符合学生认知结构的实验.如初中物理中演示“停止沸腾的水,气压减小时会发生什么现象”,显示气压减小是实验设计的难题.此实验若采用“在圆底烧瓶上浇冷水”的方法来演示,虽然沸腾现象清晰、效果明显,但学生不容易接受再沸腾现象是由压强减小引起的,因为初中生缺乏气体的压强跟温度的关系等知识.只要对原装置稍加改进,巧妙地运用喷泉现象,通过喷泉来强化气压确实减小这一事实,就能化解实验难题.
2.2实验目的要明确.
演示实验是教学内容的有机组成部分,必须密切结合课题进行.根据不同的教学内容和要求,选择合适的实验,合理地进行实验,以便让学生清楚地掌握物理概念和物理规律.例如,在讲授“平抛运动”这一节课的内容时,我们可以选择的演示实验就比较多,如抛出的粉笔头、桌上滚落的玻璃球、水流的喷射、平抛运动演示仪,等等,其目的就是让学生认识和理解“平抛运动可以看做是水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成”这一规律.
2.3实验现象要明显.
演示实验不仅要现象清楚,而且要面向全体学生.教师要想方设法增大演示实验的可见度.为了使实验现象明显,仪器的尺寸要比较大,尤其是观察部分的尺寸要大、刻度线条要粗,要使教室内最远的同学也能看清.这样做演示的精密度虽有所降低,但可以用感受效果来弥补,必要时可以借助投影、机械放大、光杠杆、放大电路等手段增强现象的明显性,增强观察效果.
但中学物理课本中有些实验的演示效果却不符合上述要求.例如：自感现象演示实验、光电效应实验、金属受热膨胀等实验现象极不明显.那么,能否通过某种手段来提高实验现象的清晰度呢?完全可以.我们可以针对不同类型的实验,依据放大原理设计出切实可行的实验装置.以下就以金属受热膨胀实验为例讨论放大原理在中学物理实验教学中的应用.
3.固体金属受热膨胀实验改进
在教学中常有学生问,既然金属受热会膨胀,我们加热金属棒时,怎么就看不见它变长或变粗了呢?这是因为金属的热膨胀系数特别小,一般在10数量级上.例如在20℃常温情况下,铁的线胀系数为11.8×10cm℃,金的线胀系数为14.2×10cm℃,铜的线胀系数为16.7×10cm℃.也就是说,加热一根20cm的铁或金或铜棒使其温度升高300℃,其伸长距离分别为：0.07cm、0.08cm和0.1cm.可见,单凭肉眼很难观察到这微乎其微的变化.要想将它直接搬上实验讲台更是难上加难.但我们可以通过杠杆原理（此处且称之为放大原理）增强其实验现象.实验装置示意图如图1所示.
图中M为选择用来进行实验的金属棒（最好选择铅棒,它的线胀系数较大,为28.7×10cm℃,且易加工,易购置）.将其右端固定,左端与指针AD接触于B点（AB的距离为2cm）但不固定.指针AD的A端固定,D端与指针CE接触于D点（CD距离为2cm）但不固定.指针CE的C端固定.其中,指针AD和指针CE均为30cm.N为一个刻度盘,用来观察金属受热膨胀的程度.这样我们就对金属受热膨胀程度进行了二次放大.现在来估算一下放大的程度.
图1 实施装置结构图
图2 放大原理示意图
如图2所示,由于金属受热膨胀伸长的距离BB′很小,故可以认为：AD等于AD′,AB等于AB′.根据△AB′B≌△AD′D可得等于.设BB′等于x,DD′等于x′,AB′等于AB等于2cm,AD′等于AD等于30cm.可得：x′等于15xcm.再根据△CD′D≌△CAE可知等于,从而得出：AE等于16x′等于240xcm.假若选取20cm长的铅棒作为实验材料,那么使其温度由室温提高100℃则其伸长量x等于0.057cm,指针CE偏移距离AE等于13.7cm,伸长量足足240倍.若要进一步提高实验放大倍数可减小AB或CD的距离,也可进行三次、四次等放大.但考虑到要尽量使实验装置简单,故最好采用第一次放大法.
4.结语
物理实验是激发学生学习物理积极性的重要手段,是培养学生观察、思维能力发现物理规律的重要途径,是培养学生动手操作能力和科学探索精神的重要手段,因此教师应特别注意在物理教学中充分利用实验来调动学生学习物理的兴趣,在积累知识的过程中充分感受物理为他们带来的乐趣[9].加强物理实验教学是提高物理教学质量的十分有效的途径,能为学习中学乃至大学物理知识打下坚实基础.因此,在物理教学中,应大力推广并加强物理实验教学,从而进一步提高教学质量.本文以金属受热膨胀实验为例讨论放大原理在中学物理实验教学中的应用,通过杠杆原理对金属棒受热伸长量的两次放大,金属棒伸长度被放大了240倍,提高金属受热膨胀的可视化程度以达到中学物理教学对演示实验的要求,同时具有造价低廉、仪器结构简单、实验操作方便等特点.