自主實驗：拓展學生知識的有效途徑

李志剛

摘要：在物理教學中，要注重物理實驗，特別是要注重學生的自主實驗，要鼓勵、培養學生養成“自主實驗”的習慣，讓學生自己設計實驗，動手進行自主實驗。在自主實驗中，驗證和探究物理規律，對提高學習興趣，開發智力，拓展知識，都起著重要的作用。

關鍵詞：自主實驗；拓展知識；途徑

現行普通高中課程物理教科書，編排了許多學生課內分組實驗，教師演示實驗和讓學生“做一做”的課后自主實驗。近幾年以來，我校學生在完成了課本中規定的必做實驗外，部分同學還積極開展一些對學習內容有關的，教材中卻沒有的學生自主實驗，實驗中他們探究物理現象，驗證物理定律，對提高學習物理的興趣、理解物理概念規律、突破知識難點、培養動手能力、拓展科學知識都有很大的幫助。為了鼓勵這些學生的自主實驗積極性，實驗室教師設計了“自主實驗活動小組表格”，表格中要求學生填寫參加人員姓名、內容、目的、實驗器材、實驗步驟、實驗結論與感想。然后交給任課老師審核同意后，再交給實驗室老師、由實驗室老師安排自主實驗的時間。實驗時實驗室老師在場管理指導，以防意外事故發生。

以下幾種實驗科目是近幾年進行自主實驗的部分內容，現介紹如下：

一、 干電池使用后，內阻增大實驗

如圖1-1電路，先用電壓表分別測出二節新的1.5V干電池電動勢E1約3V，和4節相同型號但使用過后的舊干電池E2電動勢約5.5V。然后把電壓表換成額定電壓為3.8V小燈泡，如圖1-2，當電鍵S接通E1時，發現小燈泡較亮；當電鍵S接通E2時，發現小燈泡不但沒有被燒毀，反而小燈泡只有微微發出紅光。這是為什么呢？同學們經分析總結后得出了：舊干電池電動勢E2雖比新干電池電動勢E1大，卻反而燈泡發光暗得多，是由于舊電池E2內部多消耗了電能，而消耗電能的原因是舊干電池使用后內阻增大的結果。從中，同學們也得知了新舊電池不能混合使用的道理。

二、 驗證聲波是縱波實驗

教材選修3-4“橫波和縱波”一節中講到“發聲體振動時在空氣中產生的聲波是縱波，我們平常聽到的各種聲音具有縱波的性質”。可是教材中沒有出具聲音是縱波實驗。但用什么辦法來驗證它呢？同學們想出了一個證明聲波是縱波的實驗。如圖2所示，把很小的彩色塑料泡沫粒子放在橫倒試管中，再把微型揚聲器放入試管一端，將揚聲器兩端接在低頻信號發生器輸出端上，調節信號發生器輸出頻率和幅度，能看到試管內彩色塑料泡沫粒子成疏密相間狀，這就驗證了聲波具有縱波特性，屬于縱波。

三、 完全失重實驗

完全失重是一個較難理解的物理概念，許多學生對于這一種特殊情景發生的物理現象總感到疑慮。為了解決這一問題，學生設計如下實驗：取一易拉罐，在易拉罐上裝滿水，在側面打一小孔，水自然會從孔中流出來如圖3-1，再讓易拉罐自由下落，就會驚奇地發現，罐子在下落過程中，水不再從孔中射出如圖3-2。現在再在罐的底部開一小孔，再讓易拉罐自由下落，水會流出嗎？實驗結果是水仍然不會從孔中射出如圖3-3。然后再把底部有孔的易拉罐豎直或斜向上拋，水還會流出嗎？常規的思維是水必然會從孔中直射下來，但實驗結果水仍然不會從孔中流出來，如圖3-4。

做了上述實驗后，學生對完全失重有了真切的感受，也有助于學生解決今后牽涉到的失重的習題。

四、 電阻導電受溫度變化影響實驗

（1）對鉛筆芯實驗。額定電壓2.5V左右的小燈泡，一段木工用的鉛筆芯，學生用的穩壓電源選2~4V擋。用導線按圖4-1組成串聯電路，調整鉛筆芯上A、B間距，此時使小燈泡發光。然后逐步增加鉛筆芯上A、B間的距離，直至看不見小燈泡發光為止。點燃酒精燈、用酒精燈火焰加熱鉛筆芯A、B段，隨鉛筆芯溫度升高小燈泡開始發光，移走酒精燈火焰，小燈泡又慢慢地不發光了。同學們從實驗后得知：鉛筆芯材料由石墨和黏土按比例混合而成，其中石墨含量決定其導電性能。當鉛筆芯材料、截面積、接入電路中長度確定后，鉛筆芯電阻受溫度變化而改變，溫度升高，電阻減少。

（2）對高溫玻璃導電實驗。取一小塊玻璃，用鑷子夾住后在酒精噴燈上燒成黃豆粒大的玻璃球，趁玻璃球軟化時，將兩根銅線插入玻璃內，盡量靠近但不要接觸，再取一個帶有發光二極管的音樂賀卡。從賀卡電源接頭處引出兩根導線，再把自制的玻璃球串聯起來。玻璃球在未加熱前，賀卡音樂不響，發光二極管不亮，表明常溫下玻璃不導電。用酒精燈加熱玻璃球約1min，聽到音樂聲響，但發光二極管不亮，繼續加熱約30S后發光二極管就亮了，這表明玻璃高溫加熱后，電阻減少，導電性能隨溫度的升高而增強。

（3）對比金屬電阻與熱敏電阻導電受溫度變化實驗。取一段金屬導體，金屬導體用破舊日光燈一端取下的金屬絲，也可用電爐用的電熱絲。金屬導體電阻為R， 與電流表、電鍵、電源串聯組成電路如圖4-2所示。將電鍵S接通、電流表○A指針偏轉并指示一定讀數。接著用電熱吹風機對準金屬絲電阻R吹，吹熱風時，電流表指針偏轉角度減少，改用吹冷風時，電流表指針偏輕角度增大。說明：金屬導體電阻隨溫度升高，電阻增大，溫度降低電阻減小。

把金屬導體R換成半導體材料做成的熱敏電阻，如圖4-3所示。然后用電吹風機對準熱敏電阻吹，吹熱風時，電流表熱針偏轉角度增大，吹冷風時，電流表指針偏輕角度減小。說明：熱敏電阻隨溫度升高，電阻減小，溫度降低電阻增大。

以上兩種實驗情況為什么會這樣呢？學生通過從圖書館里翻閱圖書資料和請教老師后懂得了，金屬絲中自由電荷極多，在加熱情況下，分子熱運動加劇，由于擁擠相互碰撞阻礙了分子間定向運動，從而導致電阻值增大。當加熱熱敏電阻時，從電流的微觀表達式I=nesv和半導體（如硅）材料結構中得知，半導體中自由電荷極少，當加熱時，分子熱運動加劇，其中極少數電子可獲得較大能量，掙脫原子核束縛成為自由電子，從而電阻值減小,導電性能增強，電流表指針偏轉角度增大。從參加“自主實驗”的學生看，這些學生進行自主實驗，頭腦清晰，思路敏捷，求知欲強，學習中遇到的問題，通過自主實驗來驗證、探究。同時，在自主實驗中，拓展了知識，使科學知識掌握得更加全面，基礎知識更加扎實，學習成績上了一步臺階。

(永康市綜合高中)