運用數字化實驗提高初中物理實驗教學的有效性

程建軍

(蘇州市振華中學校，江蘇 蘇州 215006)

運用數字化實驗提高初中物理實驗教學的有效性

程建軍

(蘇州市振華中學校，江蘇 蘇州 215006)

數字化實驗能實時記錄實驗數據并及時進行處理和分析,呈現物理動態變化的過程,在探索物理規律方面,有著一些傳統實驗無法比擬的優勢.本文通過數字化實驗在初中物理實驗教學中應用的若干案例的實踐分析,解決了一些傳統實驗中現象不明顯、不能直觀呈現、不能顯示定量關系等有關難題,從而提高了初中物理實驗教學的有效性.

物理實驗教學；數字化實驗；有效性

物理學是一門以實驗為基礎的學科,實驗在物理教學中起著非常重要的作用,隨著信息技術的迅猛發展和大數據時代的到來,物理實驗方式也在發生變化,數字化實驗正在逐漸進入中學物理實驗教學中.數字化實驗主要采用的是傳感器、計算機以及數據采集器等結合在一起實驗方式,數字化實驗能實時記錄實驗數據并及時進行處理和分析,呈現物理動態變化的過程,在探索物理規律方面,有著一些傳統實驗無法比擬的優勢[1].本文通過數字化實驗在初中物理實驗教學中應用的若干案例的實踐分析,解決一些傳統實驗中現象不明顯、不能直觀呈現、不能顯示定量關系等有關難題,從而提高初中物理實驗教學的有效性.

1 探究電磁感應現象

在探究電磁感應現象活動中,傳統實驗采用多匝線圈在磁場切割磁感線,用靈敏電流表來顯示感應電流,實際中靈敏電流表指針偏轉非常小,現象不明顯.而借助數字化實驗用單根導線就可以探究電磁感應現象,打破了傳統實驗中多匝線圈的實驗限制,這樣設計更能為學生接受和理解,且實驗效果非常明顯.

具體實驗過程如下:

圖1

(1) 在蹄形磁鐵的磁場中放置一根鋁棒,鋁棒的兩端用漆包線與微電流傳感器連接,再串聯一個開關組成一個電路(如圖1).

(2) 將微電流傳感器通過數據線連接數據采集器,數據采集器通過USB數據線連接到電腦上.打開數字化實驗軟件,系統自動識別傳感器,選擇菜單欄“實驗配置”中的“采集參數一定頻率模式”,頻率:40點/s,時間不限定,數據顯示窗口設置為表盤模式.測量前首先“調零”微電流傳感器,然后點擊“開始”,開始采集數據.

(3) 嘗試鋁棒在磁場中靜止、向上或向下運動、向左或向右運動等情況,觀察微電流傳感器是否有明顯的讀數,發現導體左右運動時微電流傳感器是有明顯的讀數.然后斷開開關,再讓導體在磁場中左右運動,發現微電流傳感器讀數為0.通過探究得出感應電流產生的條件是閉合電路的一部分導體在磁場中切割磁感線運動,并且發現導體向左、向右運動時電流的方向發生改變,得出感應電流方向與切割磁感線運動方向有關,然后對調蹄形磁鐵磁極,不改變切割磁感線運動方向,發現電流的方向也發生改變,所以感應電流方向與磁場方向也有關.

(4) 閉合開關,讓鋁棒在磁場中自由擺動,讓學生觀察屏幕上感應電流的波形變化(如圖2),從中引出交流電的概念.

圖2

本實驗借助數字化實驗儀器采集電磁感應產生的感應電流,具有“可視化”的優點.通過屏幕上的表盤模式顯示感應電流變化和感應電流的波形圖像直觀反映了感應電流的周期變化,表盤顯示比較適合初中生的認知水平,容易理解感應電流大小和方向的變化,而波形圖對學生認識交流電的概念比較形象直觀.

2 探究物質的比熱容

圖3

初中物理的“物質的比熱容”這一節教學的中心任務是讓學生通過實驗探究了解“不同物質在質量相等,升高溫度相同的情況下吸收的熱量一般不同”,為比熱容概念的得出打好基礎.蘇科版教材在實驗探究中直接給的不同物質是水和沙石,由于兩種物質傳熱方式不同,如果沙子攪拌不均勻,要得到沙子和水加熱后溫度均勻變化數據比較困難,實驗中基本上得不出與理論相一致的結論,經常出現很多問題很難解釋和處理[2].如果不同物質選擇水和食用色拉油,實驗效果得到明顯改善.因為兩種液體熱傳遞方式一致,而且食用色拉油加熱不會產生刺激氣味,相比煤油更環保.如圖3,實驗中采用恒溫電爐對兩種液體進行加熱,相比酒精燈加熱更安全和穩定,可以控制水和色拉油在相同時間內吸收的熱量相等.

具體實驗過程如下:

(1) 用天平稱取等質量的水和食用色拉油,放在同一個恒溫電爐進行加熱,保證加熱方式相同.

(2) 用溫度傳感器連接采集器和電腦,實時采集和展示水和色拉油的溫度的實時數據,同步繪出水和色拉油溫度隨時間變化的圖像,如圖4所示.

圖4

(3) 分析論證.結合得到的溫度隨時間變化的圖像,發現質量相等的水和色拉油,色拉油升溫快,在升高相同溫度的情況下,由于加熱方法完全相同,也就是單位時間吸收的熱量相同,加熱時間越長,吸收的熱量越多.所以,質量相等的不同物質在溫度升高相同時,吸收的熱量一般不同.

本實驗采用溫度傳感器來采集兩種不同物質吸熱升溫的數據,實驗中曲線的自動繪制也吸引學生關注,通過圖像學生很容易比較質量相同的兩種不同物質吸熱升溫情況.通過引導，學生不但對比熱容知識有了深刻的認識和理解,對相關的知識更加感興趣,很主動地去思考和研究,課堂效率得以提高．

圖5

3 焦耳定律實驗探究

焦耳定律實驗是初中物理電學中重要內容之一,也是一個難點.蘇科版教材中將一段電阻絲浸沒在一定質量的液體(如煤油)中,如圖5,通電時電阻絲產生的熱量被液體吸收,液體的溫度就會升高,導體產生熱量越多,液體吸熱后升高的溫度越大.將導體產生的熱量轉換成可以測量的液體升高的溫度來進行比較,對于初中學生比較容易理解,但是實驗可見度小,學生印象不深.本文嘗試引入數字化實驗系統溫度傳感器替代普通溫度計,學生通過屏幕直接觀察有關物理量的變化,實時記錄了溫度、時間、電流等數據,從測量的數據中研究電流產生的熱量與電流、電阻、時間的關系.

具體實驗過程如下:

(1) 在電阻和電流相同情況下,探究電流產生的熱量跟通電時間的關系.如圖6，將溫度傳感器插入液體中,閉合開關后開始采集數據.液體溫度隨時間變化數據如圖7,發現通電時間越長,電流產生的熱量越多,從數據中可以進一步得出電流產生的熱量與通電時間正比.

(2) 在電阻和通電時間相同的情況下,探究熱量跟電流的關系.通過調節滑動變阻器改變電流,在電流為0.5 A和1 A兩種情況下測出同一段電阻絲(R=10 Ω)液體溫度隨時間變化數據,如圖8.分析實驗數據表明電流越大,產生的熱量越多,同時還可以大致得出電流產生的熱量與電流的平方成正比的定量關系.

圖8

(3) 在電流和通電時間相同的情況下,探究熱量跟電阻的關系.如圖9,將兩瓶中阻值不同的電阻絲(10 Ω和2.5 Ω)串聯,測出等質量液體溫度隨時間變化數據,如圖10.分析實驗數據得出電流和通電時間相同時電阻越大,電流產生的熱量越多,并且還發現電流產生的熱量與導體的電阻成正比關系.

圖9

通過實驗測定可知,從測量的數據中容易得出電流產生的熱量與電流、電阻、時間的定量關系,這是傳統實驗儀器不容易做到的,因此通過該測量方法能有效突破教學重、難點.同時讓數據來說話,使科學規律的探究更具有嚴謹性和可信性,更有利于學生理解科學的本質,提高學生的科學素養.

該實驗中由于液體冷卻時間較長,不能連續重復演示,為了節省時間,可以多準備幾杯等質量的液體進行更換,這樣可以提高上課的效率,有利于組織課堂教學.另外,本實驗沒有在隔熱環境下進行,散熱因素對實驗得出定量關系會造成一定的影響.

4 結束語

數字化實驗是對傳統實驗的一個非常好的補充.在傳統實驗中，一些只能定性無法定量的實驗以及一些微小或瞬間數據的測量上,數字化實驗能發揮出巨大作用,成功地讓學生們觀察到了很多用肉眼不易觀察的或較為抽象的實驗現象和數據,避免了因實驗過程太快和實驗現象不明顯而造成的實驗現象難以觀察,并實時將多種數據繪制成各種圖像,通過對圖像進行仔細的觀察以及細致的分析,能夠加深對實驗特征的了解,幫助學生加強對物理概念以及規律的理解.但是,數字化實驗畢竟不能完全取代傳統實驗,我們應積極地探索傳統實驗與數字化實驗技術相互融合的方式,結合初中物理教學內容的重點、難點,有針對性地設計數字化實驗,推動與促進初中物理實驗教學質量的提升,增強學生進行自主探究的能力,促進學生學習方式向多元化轉變,為今后學習研究拓寬視野.

1 張寧波.數字化實驗在初中物理實驗教學中的應用[J].物理教學探討,2016,34(479):59-60.

2 許群山.對滬粵版“研究物質的比熱容”實驗的思考與改進[J].物理教師,2016,37(8):47-48.

2017-03-26)