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        以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ) 提高課堂教學(xué)的有效性

        2016-12-15 01:30:36李紅偉劉明忠
        中學(xué)物理·高中 2016年11期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電荷充放電

        李紅偉 劉明忠

        物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科,所有物理概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和確立,都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展和物理教學(xué)都起到極其重要的作用.在物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中,如果能夠巧妙地創(chuàng)設(shè)系列物理課堂實(shí)驗(yàn),不但能幫助學(xué)生深刻理解物理規(guī)律的本質(zhì),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,而且能轉(zhuǎn)變以往被動(dòng)的知識(shí)灌輸模式,讓學(xué)生走向積極的、主動(dòng)的自主性學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)的有效性.下面以高中人教版選修3-1第一章第8節(jié)《電容器的電容》為例,說(shuō)明如何以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)提高課堂教學(xué)有效性的教學(xué)設(shè)計(jì).

        電容器是一種重要的電學(xué)元件,在實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用;學(xué)習(xí)電容器內(nèi)容之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電荷量、電場(chǎng)強(qiáng)度、電勢(shì)差等物理量,這節(jié)的內(nèi)容既是對(duì)以上知識(shí)的綜合應(yīng)用,也是物理在實(shí)際生活中的體現(xiàn),同時(shí)也為后面學(xué)習(xí)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)、電磁振蕩等內(nèi)容打下基礎(chǔ),因此起到承上啟下的作用.電容概念的建立、決定平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn),電容概念的理解及電容器的充放電過(guò)程是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn).

        課堂教學(xué)設(shè)計(jì)流程:引入課題,探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性→探究電容器的充放電過(guò)程→通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出電容定義式→探究決定平行板電容器電容大小的因素→常見(jiàn)電容器、結(jié)束新課

        【教學(xué)片段一】 引入課題,探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1:探究電容器儲(chǔ)存電荷的特性

        實(shí)驗(yàn)儀器:起電機(jī)(圖1)、金屬圓盤(pán)(2個(gè))、節(jié)能燈、輕小物體、細(xì)繩、導(dǎo)線若干.

        實(shí)驗(yàn)原理:兩個(gè)相距1-2cm的金屬圓盤(pán)為兩個(gè)極板,空氣作為電介質(zhì),則組成了最簡(jiǎn)單的電容器(圖2).利用起電機(jī)使極板帶電,兩極板中間懸掛的輕小物體被吸引偏轉(zhuǎn),說(shuō)明金屬圓盤(pán)極板帶電;把兩圓盤(pán)與節(jié)能燈連接,節(jié)能燈閃亮一下,同樣說(shuō)明電容器具有儲(chǔ)存電荷的特性.

        評(píng)析 用簡(jiǎn)單的兩個(gè)金屬圓盤(pán)做成電容器,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到電容器的結(jié)構(gòu)是如此簡(jiǎn)單,電容器的制作原來(lái)如此容易.用輕小物體來(lái)檢測(cè)電容器是否帶電(帶電體能吸引輕小物體),是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)亮點(diǎn);為了進(jìn)一步證實(shí)電容器已儲(chǔ)存電荷,通過(guò)節(jié)能燈使燈閃亮了一下,更吸引了學(xué)生注意力,激發(fā)了學(xué)生的求知欲.這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)充分考慮到了學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展水平,體現(xiàn)了創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新思維,彰顯了“從生活走向科學(xué),從科學(xué)走向生活”的現(xiàn)代教育思想.

        【教學(xué)片段二】 探究電容器的充放電過(guò)程

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2:探究電容器充放電電流方向及大小變化情況

        實(shí)驗(yàn)儀器:發(fā)光二極管(2個(gè))、電源、電容器、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干.

        實(shí)驗(yàn)原理:如圖3,把單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥開(kāi)向1,發(fā)光二極管a變亮然后逐漸變暗,反映電容器充電電流方向及充電電流大小逐漸減??;把單刀雙擲開(kāi)關(guān)撥向2,發(fā)光二極管b變亮然后逐漸變暗,反映電容器放電電流方向及放電電流大小逐漸減小.

        評(píng)析 電容器的充放電過(guò)程是電容器工作的主要形式,也是學(xué)生了解電容器的一個(gè)載體.教材對(duì)電容器的充放電過(guò)程敘述比較簡(jiǎn)單,加上內(nèi)容抽象,電荷的微觀運(yùn)動(dòng)無(wú)法演示,學(xué)生接受起來(lái)顯得非常困難,而這部分內(nèi)容又是后面學(xué)習(xí)電磁振蕩的基礎(chǔ).為解決這個(gè)問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)兩個(gè)發(fā)光二極管,讓學(xué)生直觀地感受到電容器充放電電流的方向及電流大小變化情況,使學(xué)生對(duì)電容器的認(rèn)識(shí)更加具體,更加豐富,也為后面的教學(xué)鋪平了道路.

        【教學(xué)片段三】 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究得出電容定義式

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3:探究電容器儲(chǔ)存電荷量與電勢(shì)差關(guān)系

        實(shí)驗(yàn)儀器:數(shù)字萬(wàn)用表、電源、完全相同的電容器5個(gè)、單刀雙擲開(kāi)關(guān)(3個(gè))、單刀單擲開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干.

        實(shí)驗(yàn)原理:如圖4,開(kāi)始所有開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài).①先閉合S,電源對(duì)C1充電;②斷開(kāi)S,單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1接1,類(lèi)比庫(kù)侖扭稱實(shí)驗(yàn)的電量二分法,兩個(gè)完全相同的電容器直接接觸,電量也將平分,由此C1、C2所帶電量應(yīng)該均為Q/2;③S1接2,S2接3,C2、C3所帶電量應(yīng)該均為Q/4;④S2接4,S3接5,C3、C4所帶電量應(yīng)該均為Q/8;⑤S3接6,C4、C5所帶電量應(yīng)該均為Q/16;⑥用數(shù)字萬(wàn)用表直接電測(cè)出容器C1、C2、C3、C4兩極電壓,分析得出Q與U的比值為一個(gè)常數(shù).

        C1C2C3C4

        電量Q/2Q/4Q/8Q/16

        電容U/2U/4U/8U/16

        評(píng)析 得出電容定義式的是本節(jié)的重點(diǎn),也是難點(diǎn).以往教學(xué)設(shè)計(jì)大多是類(lèi)比柱形水容器的方法告訴學(xué)生電容器所帶電量Q與電壓U成正比;或者通過(guò)放電產(chǎn)生火花強(qiáng)弱,小燈泡的亮度情況等來(lái)定性說(shuō)明電容器儲(chǔ)存電荷量的多少,不足以說(shuō)明電量Q與電壓U成正比.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙地利用電量二分法使電容器電量這個(gè)很難測(cè)量的物理量問(wèn)題得到解決,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單易行,科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn),效果明顯,學(xué)生容易理解,充分達(dá)到了突破教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的作用.

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4:探究不同電容器的電容大小

        實(shí)驗(yàn)儀器:干電池、不同型號(hào)電解電容器3個(gè)、石英鐘、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、單刀單擲開(kāi)關(guān)3個(gè)、導(dǎo)線若干.

        實(shí)驗(yàn)原理:如圖5,用兩節(jié)干電池同時(shí)對(duì)3個(gè)不同型號(hào)的電解電容器充電后,然后分別通過(guò)石英鐘放電,石英鐘指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)半定量地反映了電容器儲(chǔ)存電荷量的多少.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,不同電容器,電壓相同,指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)一般不同,儲(chǔ)存電荷的本領(lǐng)一般不同.

        電容器(uF)1000500250

        指針轉(zhuǎn)動(dòng)的格數(shù)421

        評(píng)析 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用控制變量法,對(duì)不同電容器在相同電壓,儲(chǔ)存電荷量的多少進(jìn)行半定量探究,得出不同電容器電容一般不同的結(jié)論,使電容這一抽象概念變得直觀、具體,學(xué)生易于理解和接受,學(xué)生的抽象思維能力和創(chuàng)新能力也得到了培養(yǎng)和提高.

        【教學(xué)片段四】 探究決定平行板電容器電容大小的因素

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5:探究平行板電容器的電容大小決定因素.

        實(shí)驗(yàn)儀器:平行板電容器(圖7)、數(shù)字電容表(圖6)、陶瓷片、玻璃板.

        實(shí)驗(yàn)原理:直接用數(shù)字電容表測(cè)量平行板金屬板組成的電容器電容.當(dāng)兩板距離減小,電容表測(cè)出電容器的電容變大;當(dāng)兩板正對(duì)面積減小,電容表測(cè)出電容器的電容變??;在兩之間插入介質(zhì),電容表測(cè)出電容器的電容變大.

        S不變d變化d不變S變化插入電介質(zhì)

        dd/2d/4SS/2S/4陶瓷片玻璃板

        C2C4CCC/2C/4C變大C變大

        結(jié)論:C與d成反比結(jié)論:C與S成正比結(jié)論:C與介質(zhì)有關(guān)

        評(píng)析 影響平行板電容器電容大小的因素是本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的又一重點(diǎn).課本給出的演示實(shí)驗(yàn)是間接推導(dǎo)電容與各種因素的關(guān)系,這個(gè)實(shí)驗(yàn)不直觀,推導(dǎo)能力要求較強(qiáng),難于讓學(xué)生形成深刻的印象,不符合高中學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平與邏輯發(fā)展水平;同時(shí)這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)所花時(shí)間較長(zhǎng),容易受天氣等因素影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不成功;且只能定性得出結(jié)論.而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用新儀器數(shù)字電容表直接測(cè)量行板電容器電容,對(duì)電容大小決定因素進(jìn)行定量研究,不受天氣影響,操作簡(jiǎn)單,現(xiàn)象明顯,學(xué)生容易接受理解.

        【教學(xué)片段五】 常見(jiàn)電容器,結(jié)束新課

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)6:測(cè)量人體電容器電容大小

        實(shí)驗(yàn)儀器:數(shù)字電容表、導(dǎo)線若干.

        實(shí)驗(yàn)原理:如圖8,20位同學(xué)手拉手分成兩排組成一個(gè)人體電容器,用數(shù)字電容表可直接測(cè)量出人體電容器的電容大小.增大兩排學(xué)生間的距離,數(shù)字電容表測(cè)量出的電容變小;減小兩排學(xué)生間的距離,數(shù)字電容表測(cè)量出的電容變大.減少兩排學(xué)生人數(shù),測(cè)得的電容變小.

        評(píng)析 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)兩排學(xué)生間距的變化,人數(shù)的變化,加深了對(duì)平行板電容器的電容大小決定因素的理解;通過(guò)測(cè)量人體電容器電容,讓學(xué)生感受電容器電容存在的普遍性,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,課堂教學(xué)在結(jié)束時(shí)達(dá)到高潮,學(xué)生課后回味無(wú)窮.關(guān)注生活,從生活中挖掘物理教學(xué)素材,并以實(shí)驗(yàn)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生,讓學(xué)生感受到物理是有用的,學(xué)習(xí)物理是有現(xiàn)實(shí)意義的.

        諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要性有過(guò)精辟的描述:“所有的自然科學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué).再好的理論如果與實(shí)驗(yàn)不相符,那么理論就不存在.實(shí)驗(yàn)可以推翻理論,而理論永遠(yuǎn)無(wú)法推翻實(shí)驗(yàn).因此實(shí)驗(yàn)對(duì)于自然科學(xué)來(lái)講非常重要.”在物理教學(xué)中,教師都要明白這個(gè)道理:物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ),要上好物理課,就要設(shè)計(jì)好課堂實(shí)驗(yàn),針對(duì)學(xué)生的疑難、困惑,想方設(shè)法構(gòu)思實(shí)驗(yàn)展示的方式,還物理學(xué)科的本來(lái)面目,從而達(dá)到提高課堂教學(xué)有效性的目的.

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