摘 要:在初中物理教學(xué)中,探究晶體熔化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)通常會(huì)選用海波作為實(shí)驗(yàn)材料。然而,在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中,往往會(huì)因?qū)嵝圆詈褪軣岵痪鶆虻葐?wèn)題,導(dǎo)致實(shí)際繪制的海波熔化過(guò)程溫度曲線與理論曲線存在較大差異。本研究采用Arduino開(kāi)發(fā)板、振動(dòng)電機(jī)、溫度傳感器等元件自制了一款新型教具,并在實(shí)際教學(xué)中用此教具對(duì)“海波的熔化”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:海波熔化實(shí)驗(yàn)改進(jìn);溫度傳感器;自制教具。
1 問(wèn)題來(lái)源
目前,很多初中物理教材中都提到了使用海波(硫代硫酸鈉)進(jìn)行探究晶體熔化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。這些教材普遍建議采用水浴加熱方式以確保海波受熱均勻,如圖1所示。然而,在實(shí)際教學(xué)中,如果完全按照教材中的裝置和步驟操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn),往往難以得到與理論相符的結(jié)論。以下是導(dǎo)致這種情況的幾個(gè)原因。
原因1:海波導(dǎo)熱性差,導(dǎo)致試管壁上的海波往往最先熔化,內(nèi)外海波熔化不同步。
原因2:實(shí)驗(yàn)室使用的溫度計(jì)精確度不高,分度值為1℃,不能精準(zhǔn)反應(yīng)溫度的變化。
原因3:隨著海波熔化,液面下降,溫度計(jì)玻璃泡未能浸沒(méi)在液態(tài)的海波中,玻璃泡未與“固液共存”狀態(tài)下的海波充分接觸,[1]導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)定出對(duì)應(yīng)的溫度。
原因4:在水浴加熱的過(guò)程中,為了解決海波受熱不均勻的問(wèn)題,可以使用玻璃棒或改良的螺旋細(xì)鐵絲圈進(jìn)行攪拌。然而,由于試管口徑較窄,攪拌操作較為困難,這通常導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。[2]
原因5:人工記錄溫度時(shí)容易產(chǎn)生誤差,導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)間不匹配。此外,由于該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng),人工實(shí)時(shí)記錄常常會(huì)影響上課進(jìn)度。
基于以上問(wèn)題,作者使用Arduino開(kāi)發(fā)板制作了一款電子溫度計(jì)。通過(guò)新增振動(dòng)器和限位器解決了海波受熱不均勻和溫度計(jì)接觸不充分等問(wèn)題,從而顯著提高了實(shí)驗(yàn)的精確度。這一改進(jìn)不僅有助于學(xué)生更好地理解和驗(yàn)證理論知識(shí)[3],而且減少了人工干預(yù)和測(cè)量誤差,進(jìn)一步增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
2 教具制作
2.1 所需器材
Arduino開(kāi)發(fā)板、數(shù)據(jù)傳輸線、DS18B20溫度傳感器模塊、OLED液晶顯示屏、開(kāi)關(guān)、振動(dòng)電機(jī)模塊、電阻、面包板、限位模塊、橡皮筋、亞克力板若干、連接線若干。
2.2 搭建器材
圖2展示了自制教具模型的簡(jiǎn)圖。該教具模型主要由控制模塊、振動(dòng)模塊、溫度采集模塊三部分構(gòu)成。
2.2.1 控制模塊
控制模塊的核心是Arduino開(kāi)發(fā)板,它與電源、開(kāi)關(guān)以及液晶顯示屏等組件一起構(gòu)成了整個(gè)裝置。Arduino開(kāi)發(fā)板的主要功能是采集溫度傳感器模塊實(shí)時(shí)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。同時(shí),它還將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上,使學(xué)生能夠直觀地觀察溫度的變化過(guò)程。該模塊的設(shè)計(jì)旨在增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可視化效果和數(shù)據(jù)精確度。[4]
2.2.2 振動(dòng)模塊
振動(dòng)模塊由電動(dòng)機(jī)、偏心輪和固定外殼等部件組成。該模塊采用電機(jī)振動(dòng)來(lái)替代傳統(tǒng)的人工攪拌,有效減少了人為操作可能導(dǎo)致的誤差。此外,通過(guò)振動(dòng)模塊的作用,使晶體的熔化能夠更加均勻,從而進(jìn)一步提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。
2.2.3 溫度采集模塊
溫度采集模塊(如圖3所示)由溫度傳感器、一個(gè)限位裝置1和兩個(gè)限位裝置2組成。這些限位裝置的作用是將溫度傳感器固定在特定位置,以避免傳感器與試管內(nèi)壁及試管底部接觸。所有限位裝置均采用橡膠材質(zhì),這樣不僅起到了限位的作用,還能夠減輕傳感器的振動(dòng),進(jìn)一步提高了測(cè)溫的穩(wěn)定性。
3 實(shí)驗(yàn)步驟及改進(jìn)效果
3.1 實(shí)驗(yàn)步驟
3.1.1 研磨海波
由于海波在空氣中易被氧化,應(yīng)將海波晶體包裹在紙中,然后研磨成粉末狀。這樣做不僅有助于海波受熱更加均勻,還可以縮短實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間。
3.1.2 安裝溫度傳感器
將溫度傳感器插入試管中,位置應(yīng)靠近試管底部,以確保傳感器能夠準(zhǔn)確采集到固液共存狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)。
3.1.3 安裝振動(dòng)電機(jī)
使用橡皮筋和掛鉤將振動(dòng)電機(jī)固定在試管口附近,通過(guò)電機(jī)的振動(dòng)使海波受熱更加均勻,同時(shí)也避免了繁瑣的人工攪拌過(guò)程。
3.1.4 搭建裝置
根據(jù)實(shí)物圖(如圖4所示)搭建實(shí)驗(yàn)裝置。將Arduino開(kāi)發(fā)板連接到計(jì)算機(jī),并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),然后打開(kāi)相應(yīng)的操作界面以監(jiān)測(cè)溫度變化。
3.2 改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)分析
將溫度傳感器實(shí)時(shí)收集到的海波熔化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為熔化溫度曲線,如圖 5所示,經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然很穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過(guò)程,我們可以分析得出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的如下優(yōu)勢(shì)。
第一,在教材中原有的裝置基礎(chǔ)上增加了一個(gè)偏心振動(dòng)裝置。該裝置通過(guò)穩(wěn)定的高頻率振動(dòng),有效地促進(jìn)了海波均勻受熱。相比傳統(tǒng)的人工攪拌方式,這個(gè)偏心振動(dòng)裝置增加了有效碰撞的次數(shù),從而使受熱更均勻。同時(shí),使用這個(gè)裝置也降低了實(shí)驗(yàn)操作的難度,讓實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加輕松。
第二,在普通試管中引入了限位器。其主要作用是防止溫度傳感器的探頭觸碰到試管的側(cè)壁和底部。同時(shí),隨著海波的熔化,限位器也會(huì)在重力的作用下自動(dòng)下降,以確保傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量到處于固液共存狀態(tài)下的海波的溫度。這個(gè)限位器的設(shè)計(jì)大大提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
第三,相比于教材中的活動(dòng)步驟——“待溫度升高到40℃,每隔0.5min記錄一次溫度”,采用Arduino開(kāi)發(fā)板自制的電子溫度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)每5s(時(shí)間間隔可根據(jù)需求自由設(shè)定)將溫度實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上,并將采集到的實(shí)時(shí)溫度傳輸至電腦端,以生成熔化過(guò)程的圖像。通過(guò)這些圖像,我們能夠直觀地觀察到海波熔化過(guò)程中存在一個(gè)平穩(wěn)的階段。這一階段的溫度保持在47~48℃之間,持續(xù)時(shí)間約為3min,這與理論預(yù)期相符。這個(gè)改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)的精確性和可視性。
第四,與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)(分度值為1℃)相比,溫度傳感器(分度值為0.01℃)具有更高的測(cè)量精度,能夠更精確地測(cè)量溫度,更貼近實(shí)際情況。這一改進(jìn)提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度,有助于更準(zhǔn)確地分析和理解熔化過(guò)程中的溫度變化。
4 結(jié)語(yǔ)
根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)的要求,信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合非常重要。[5]同時(shí),《課程標(biāo)準(zhǔn)》還鼓勵(lì)教師積極參與自制教具、改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)的工作。[6]
在這一背景下,筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和前人的研究成果,對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了深入分析,并通過(guò)自制教具改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置。這些改進(jìn)使得原本較為繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作變得更加簡(jiǎn)單,同時(shí)也使實(shí)驗(yàn)效果更加直觀。將信息技術(shù)與物理教學(xué)相融合的過(guò)程,不僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量[7],還展示了教師在信息技術(shù)和教育領(lǐng)域積極探索與實(shí)踐的成果。
參考文獻(xiàn)
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[3]張偉,羅星凱.物理自制教具及其實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特教育功能探究[J].物理教師,1995(6):1-3.
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[5][6]中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2022:43,55.
[7]沙琦波,陳心怡.核心素養(yǎng)導(dǎo)向下信息技術(shù)與初中物理教學(xué)的融合探索——以“物體的內(nèi)能”為例[J].物理教師,2022,43(3):40-43.