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        微小形變數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用

        2019-10-08 09:16:10張龐張九春
        中學(xué)物理·高中 2019年9期

        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).

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳學(xué)科.演示微小形變放大的一種新方法[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2014,31(04):33-34.

        [2]張松俊.微小形變演示儀的創(chuàng)新制作[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2016,33(10):47-48.

        [3]孫保耕.利用移液管改進(jìn)微小形變演示器[J].中學(xué)物理(高中版),2013,31(6):50.

        [4]丘春燕,吳先球.基于虛擬儀器技術(shù)的微小形變遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].物理教師,2015,36(3):50-51. DOI:10.3969/j.issn.1002-042X.2015.03.017.

        [5]王文祥,宋艷芝.巧妙顯示微小形變[J].中學(xué)物理(高中版),2012,30(10):32.

        [6]尤愛(ài)惠,陳顯盈.利用攝像頭演示桌面微小形變的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016,45(1):50-52.

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