張龐 張九春

摘 要：微小形變因其變化小，不容易被察覺(jué)，對(duì)初學(xué)物理的學(xué)生來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)，而將微小形變數(shù)字化，通過(guò)數(shù)字的變化體現(xiàn)物體發(fā)生的微小形變，化抽象為形象，有利于學(xué)生物理思維的建構(gòu).微型電子秤因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)效果明顯，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，能夠很好地展現(xiàn)微小形變的過(guò)程.

關(guān)鍵詞：熱脹冷縮;彈性形變;微型電子秤

文章編號(hào)：1008-4134（2019）17-0038中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

在學(xué)習(xí)溫度和彈力的內(nèi)容時(shí)，常采用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方案演示熱脹冷縮和彈力產(chǎn)生的微小形變，該教具簡(jiǎn)單、操作方便、效果明顯.但也存在以下問(wèn)題：①手的溫度和壓力都會(huì)導(dǎo)致液面上升，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)不確定因素對(duì)各自對(duì)立的實(shí)驗(yàn)存在較大的影響.②熱傳導(dǎo)讓玻璃瓶和液體都發(fā)生了膨脹，玻璃的膨脹也會(huì)擠壓液體使得水柱上升.因此，為了不引起誤區(qū)，在彈力微小形變中，采用了如圖2所示的方案，但該實(shí)驗(yàn)方案需要較長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整激光的反射角，角度不合適會(huì)導(dǎo)致按壓桌面時(shí)光點(diǎn)移動(dòng)不明顯[1]，且實(shí)驗(yàn)需要在較暗的環(huán)境中進(jìn)行，否則光點(diǎn)亮度較低，不利于觀察.

如何通過(guò)簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)將微小形變展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生可以通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯分析和空間想象能力感受到物體的微小形變，并能準(zhǔn)確地區(qū)分物體的微小形變是因熱脹冷縮或彈力形變引起的.筆者經(jīng)過(guò)嘗試，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出兩種解決方案.

1 實(shí)驗(yàn)方案一：利用微型電子秤顯示金屬棒的熱脹冷縮

實(shí)驗(yàn)原理：金屬棒受熱膨脹會(huì)擠壓電子秤，通過(guò)電子秤的示數(shù)變化顯示金屬棒的微小形變.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：圖3是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采用的原理圖.實(shí)驗(yàn)時(shí)將鐵棒固定在U型框架的一端，另一端豎直置于電子秤上.將鐵棒靠近電子秤的一端輕輕壓在電子秤表面上，如圖4所示，圖（a）可以看到在常溫下電子秤此時(shí)的示數(shù)為14.20g.點(diǎn)燃金屬棒下端的蠟燭，經(jīng)過(guò)30s、60s時(shí)圖（b）和（c）示數(shù)分別為20.13g和26.30g，可以看到，電子秤的示數(shù)變化明顯，金屬棒因受熱而膨脹.

實(shí)驗(yàn)反思與建議：

（1）由于微型電子秤的示數(shù)變化明顯，輕微的壓力或從水平放置改為豎直放置都會(huì)引起示數(shù)的變化，因此在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先將電子秤置于豎直擋板處，稍等一段時(shí)間后當(dāng)示數(shù)達(dá)到穩(wěn)定，再按去皮清零鍵使得此時(shí)數(shù)值為零.

（2）金屬棒輕壓微型電子秤表面過(guò)程要緩慢一些，待示數(shù)穩(wěn)定，再旋緊螺帽固定金屬棒.

（3）該實(shí)驗(yàn)非常適合將手機(jī)連接投屏軟件，如利用希沃手機(jī)助手，連接好后讓學(xué)生從屏幕上觀察點(diǎn)燃蠟燭時(shí)的示數(shù)與點(diǎn)燃蠟燭后示數(shù)的變化，體驗(yàn)金屬棒在加熱過(guò)程中的膨脹.

（4）實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將金屬棒換成玻璃棒，按照上述方法再做一次，觀察玻璃棒的膨脹，對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)，體會(huì)兩者膨脹的不同.筆者換用差不多大小的玻璃棒，如圖5所示，初始時(shí)為0.87g，30s、60s時(shí)分別為4.85g和5.81g.顯然在相同的時(shí)間內(nèi)玻璃棒膨脹導(dǎo)致微型電子秤的示數(shù)明顯小于金屬棒的.

2 實(shí)驗(yàn)方案二：利用微型電子秤顯示木板的彈性形變[2]

實(shí)驗(yàn)原理：按壓木板會(huì)使木板發(fā)生形變，通過(guò)海綿擠壓電子秤，使示數(shù)發(fā)生變化.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：圖6是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采用的原理圖（a）和實(shí)物圖（b）.實(shí)驗(yàn)時(shí)將微型電子秤水平放置在U型框架上，框架上方放一塊結(jié)實(shí)的木板，木板按壓時(shí)幾乎看不出形變.實(shí)驗(yàn)時(shí)在木板和微型電子秤之間墊一些軟海綿，如圖7（a）所示，此時(shí)微型電子秤示數(shù)為0.22g.將相同的砝碼連續(xù)相繼放在木板上，微型電子秤的示數(shù)分別為1.08g、1.75g和2.21g，如圖7（b）（c）（d）所示.觀察不到木板的形變，但微型電子秤的示數(shù)發(fā)生了變化.說(shuō)明有一個(gè)向下的力出現(xiàn)了，木板兩邊有支撐的架子，因此木板不會(huì)整體下移擠壓微型電子秤，只有中間向下彎曲擠壓電子秤，木板發(fā)生了形變，微型電子秤的示數(shù)越大，木板形變的越厲害.

實(shí)驗(yàn)反思與建議：

（1）實(shí)驗(yàn)時(shí)盡可能選用合適的木板，不宜特別厚，也不能特別薄.過(guò)厚的木板形變太小，微型電子秤的示數(shù)變化不明顯;而過(guò)薄的木板，一是容易觀察形變，體現(xiàn)不出微小形變.二是形變量過(guò)大，容易使得微型電子秤超量程.

（2）微型電子秤和木板之間墊上海綿方便測(cè)量形變，但海綿要取適當(dāng)?shù)暮穸龋^(guò)厚的海綿會(huì)導(dǎo)致剛開(kāi)始微型電子的示數(shù)過(guò)大，放上物體后木板輕微形變電子秤就會(huì)超量程.

（3）該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、原理清晰，了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，可以讓學(xué)生自行操作，教師將他們操作的過(guò)程通過(guò)手機(jī)投屏的方式展示.

3 結(jié)束語(yǔ)

初學(xué)者往往對(duì)物理有較大的興趣，但隨著學(xué)習(xí)物理難度和深度的加大，學(xué)生對(duì)物理模型的建構(gòu)變得越來(lái)越困難，難以理解物理規(guī)律的含義，更不會(huì)將其應(yīng)用于不同的場(chǎng)景中解決問(wèn)題，逐漸對(duì)物理失去興趣，甚至恐懼物理.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、原理分析容易的實(shí)驗(yàn)可以有效地幫助學(xué)生理解概念，思考現(xiàn)象背后的原因和規(guī)律，建立起物理模型.微小形變作為學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，對(duì)其探究還有很多方法可以去嘗試和改進(jìn).

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