淺談物理教學(xué)中的“微小形變”實(shí)驗(yàn)

【摘 要】在高中物理《彈力》的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)于抽象的理論知識(shí)缺少感性認(rèn)識(shí)，因此必須做好“微小形變”的演示實(shí)驗(yàn)，來(lái)使學(xué)生形成良好的知識(shí)基礎(chǔ)，從而高質(zhì)量地完成教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】微小形變 演示放大法

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在物理學(xué)中，每個(gè)概念的建立、每個(gè)定律的發(fā)現(xiàn)，都是從大量的具體事例中抽象出來(lái)的，有其堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。因而在物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)就顯得尤為重要了。下面對(duì)幾種常用的“微小形變”放大演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和討論。

1 光點(diǎn)反射放大法

1.1 應(yīng)用反射鏡組放大桌面形變

1.1.1 操作與方法

右圖為桌面微小形變的實(shí)驗(yàn)演示裝置。在水平桌面上放兩個(gè)平面鏡M和N，讓固定光源發(fā)出的一束光線依次被這兩個(gè)平面鏡反射，最后射到刻度尺L上，形成一個(gè)光點(diǎn)。當(dāng)用力壓平面鏡間的桌面時(shí)，鏡子就要向箭頭所示的方向傾斜，由于兩面鏡子之間的距離較大，光點(diǎn)就會(huì)在刻度尺上有明顯的移動(dòng)，而把桌面的微小形變顯示出來(lái)。

1.1.2 演示注意

為了使演示現(xiàn)象明顯，射向平面鏡的光束不能太粗且光強(qiáng)較大；平面鏡的相對(duì)距離和相對(duì)位置應(yīng)事先調(diào)節(jié)好，以保證刻度尺上出現(xiàn)光斑并能發(fā)生明顯的移動(dòng)；實(shí)驗(yàn)演示最好在較暗的環(huán)境下進(jìn)行，以便于觀察到明顯的光斑。

1.1.3 結(jié)果分析

水平桌面加壓后，桌面可看做是兩個(gè)斜面，設(shè)斜面與水平面夾角為a。由于鏡子始終與桌面垂直，鏡子M偏轉(zhuǎn)a，于是入射角與反射角都變化了a。反射到第二面鏡子時(shí)，光線已比原來(lái)向下移動(dòng)了2a。同理，光線從第二面鏡子出來(lái)后已偏差了4a，即光線的偏差放大了4倍。

1.2 應(yīng)用激光筆放大桌面形變

1.2.1 操作與方法

如右圖，將激光筆A、平面鏡C如圖所示固定在鐵架臺(tái)上，平面鏡B放在水平桌面P上。當(dāng)把重物M放到桌面上時(shí)，就可以觀察到激光束反射在屏上的光斑由D移動(dòng)到D'，這樣就把桌面的微小形變顯示出來(lái)。

1.2.2 演示注意

在實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中，盡量在較暗的條件下進(jìn)行，以便于觀察到明顯的光斑；平面鏡的相對(duì)距離和激光筆的相對(duì)位置應(yīng)事先調(diào)節(jié)好，以保證屏上出現(xiàn)光斑并能發(fā)生明顯的移動(dòng)。

1.2.3 結(jié)果分析

重物M放到桌面上時(shí)，重物左側(cè)的桌面可看做是一個(gè)斜面，設(shè)其與水平面夾角為a。由于平面鏡B始終與桌面平行也偏轉(zhuǎn)了a，于是由激光筆打出的入射角與反射角都變化了a，反射到平面鏡C時(shí)，光線已比原來(lái)向右了2a。同理，光線第二次從平面鏡B出來(lái)后已偏差了4a，即光線的偏差放大了4倍。

1.3 優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)，器材制作簡(jiǎn)單，無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀，便于學(xué)生對(duì)微小形變的認(rèn)識(shí)。

1.4 思考與總結(jié)

光點(diǎn)反射放大法正是利用光在均勻介質(zhì)中的直線傳播和平面鏡對(duì)光線的反射，由兩次反射角的變化使反射光線在顯示屏上的明顯移位來(lái)設(shè)計(jì)而成的。

同時(shí)，光點(diǎn)反射法也是整個(gè)物理實(shí)驗(yàn)中常用的放大方法，如卡文迪許設(shè)計(jì)的測(cè)量萬(wàn)有引力的著名扭秤裝置，就是巧妙地運(yùn)用了光點(diǎn)反射放大法才解決了測(cè)量石英絲微小扭轉(zhuǎn)角的難題，進(jìn)而算出兩球間的引力。

2 投影儀放大

2.1 操作與方法

右圖所示的支架受力問(wèn)題，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，力F對(duì)支架的兩根梁產(chǎn)生怎樣的作用呢？若只看這靜態(tài)圖，學(xué)生很難想象和正確判斷。如能把在O點(diǎn)掛重物后AO梁和BO梁的形變顯示出來(lái)，該難題不就迎刃而解了嗎？為此，可設(shè)計(jì)這樣一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，用一細(xì)繩代替BO，一細(xì)竹條代替AO，用投影儀將實(shí)驗(yàn)投影放大到銀幕上。

2.2 結(jié)果分析

當(dāng)用手向下拉O點(diǎn)（相當(dāng)于在O點(diǎn)施加了一個(gè)重物的拉力F），學(xué)生從銀幕上可清楚地觀察到AO梁發(fā)生了彎曲，BO梁則發(fā)生了伸長(zhǎng).通過(guò)實(shí)物投影后，靜態(tài)變成了動(dòng)態(tài)，且支架的微小形變放大得清晰可見(jiàn)。

2.3 思考與總結(jié)

在傳統(tǒng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)中，一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不易甚至無(wú)法演示，而且準(zhǔn)確性較差、過(guò)程模糊、制約因素眾多，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍感覺(jué)枯燥無(wú)味、難以理解，這時(shí)可借助多媒體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用多媒體技術(shù)將抽象的物理現(xiàn)象變成生動(dòng)的畫面，顯示“微觀”的效果，來(lái)幫助學(xué)生解決疑難問(wèn)題，讓學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律理解更深刻，掌握更牢固，從而實(shí)現(xiàn)教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。

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