淺談初中物理系列實驗開發
——以蠟燭為例

張家琪 吳 偉

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210000)

·初中園地·

淺談初中物理系列實驗開發
——以蠟燭為例

張家琪 吳 偉

(南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210000)

實驗一直是初中物理教學中不可缺少的一部分內容,實驗對于培養初中生的觀察與動手能力和探究精神有著非常重要的作用．演示性實驗在課堂教學中應用廣泛,對于有些物理知識,教師應將課堂演示實驗與生活緊密聯系,使其變得豐富有趣,又可以讓學生在家也能自己動手做實驗,讓物理能夠真正地融入學生的日常生活．本文從生活中常見的小物品——蠟燭為例,探討教師應如何利用生活中的常見物品進行物理系列實驗開發和改進,以此作為開發物理課程資源的一種有效途徑．

初中物理;物理實驗;物理教學

1 引言

實驗是一種科學活動,而物理是一門建立在實驗和觀察的基礎上的學科．教學中的物理實驗可分為演示實驗、探究實驗、驗證實驗、邊教邊實驗和課外實驗與制作等．物理實驗是初中物理教學中不可或缺的一部分內容,學校對物理實驗的教學也越來越重視．朱正元老先生曾說過“瓶瓶罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”的名言,在經濟飛速發展的今天,大部分中學都有了獨立的物理實驗室和完備的實驗器材,這句話似乎已經沒有了提及的必要．然而我們總說物理來源于生活也要回歸于生活[1],學生學習物理之后,需要掌握的技能絕不應該只是能在實驗室里完成實驗任務,在日常生活中,他們能否解釋一些物理現象,能否向沒學過物理的人展示物理的魅力?取材于生活的物理小實驗無疑是一個很好的科學傳播途徑,初中也是培養學習物理的興趣的關鍵階段,初中生在學校觀看教師做這類實驗的時候都非常興奮,材料都來自日常生活,他們在回家后也躍躍欲試,[2]如果教學能達到這樣的效果,那么觀察能力、動手能力和解決問題能力的提高也就不在話下了,學習物理的興趣自然就越來越濃．

物理教師可以借助一些在常規實驗中經常出現的物品開發出針對某一物品的系列小實驗,既作為課程資源在課堂上進行演示,又可以作為學生自己動手體驗物理實驗魅力的系列活動．本文以蠟燭為例,根據物品自身的多重屬性,談一談開發物理系列實驗的步驟．

2 以蠟燭為例的系列實驗開發

蠟燭是我們生活中比較容易取得的一種材料,它的主要成分是石蠟,密度比水小,而且難溶于水,易熔化,受熱熔化為液態,遇冷時又會凝固為白色固體狀,受熱易揮發,主要用于照明,在中學物理常規實驗中我們經常將它作為光源參與實驗,例如探究平面鏡成像規律中“澆不滅的蠟燭”、利用蠟燭作為光源探究凸透鏡成像的規律．除此之外,根據蠟燭的上述屬性,可以設計以下系列實驗．

2.1 利用蠟燭的三態設計“隔空復燃蠟燭”實驗

蘇教版初中物理第2章第3節熔化和凝固中有一個探究石蠟的熔化特點的實驗,其中實驗的原材料石蠟就取自于蠟燭．在進行這部分內容的教學之前,教師也可以自己錄制并播放下面這個有趣的實驗“隔空復燃蠟燭”(見圖1)引入新課,也為后面的實驗探究做準備．

圖1 隔空復燃蠟燭

實驗器材:蠟燭,打火機,小金屬管．

實驗過程及現象:點燃一支蠟燭,發現蠟燭頂部出現碗狀凹陷,里面有一些蠟燭液,待蠟燭燃燒一會兒之后,將點燃的蠟燭吹滅,吹滅后的蠟燭冒出了青煙,這時候迅速地在蠟燭上方點燃冒出的青煙,發現蠟燭又重新被點燃．

思考與改進:通常情況下蠟燭是固態,開始燃燒后,蠟燭頂端靠近火焰的部分會慢慢熔化成液態,學生可以先觀察熔化這個過程．我們點燃青煙就能復燃蠟燭,是因為“青煙”就是石蠟的氣態,當石蠟蒸汽被點燃時,溫度又升高,將蠟燭再次點燃．但是這個實驗由于現象一閃而過,適合將鏡頭放慢制作成一個演示視頻給學生觀看．為了更清晰地在課堂上演示出我們點燃的是氣態的石蠟,教師可以在點燃蠟燭,用一根短小的金屬管連通焰心部分,然后點燃小管的另一頭,這時石蠟蒸氣也會被點燃．

2.2 利用蠟燭的燃燒設計“會喝可樂的蠟燭”實驗

壓強是初中物理中非常重要的內容,根據蠟燭燃燒時的一些特性可以設計“會喝可樂的蠟燭”(見圖2)這一演示實驗來說明大氣壓強的存在．

圖2 會喝可樂的蠟燭

實驗器材:高腳玻璃杯,平底餐盤,蠟燭,打火機,可樂．

實驗過程及現象:利用熔化的蠟燭液將蠟燭固定在平底餐盤的中央,點燃蠟燭,在餐盤上倒上少量的可樂,把高腳杯倒扣在蠟燭上,觀察到隨著蠟燭最后的燃燒,可樂被吸進了高腳杯中,此時將高腳杯連著餐盤反轉,就收集到了餐盤上的可樂．

思考與改進:這個實驗可以用大氣壓強解釋,但高腳杯內氣壓變小卻不僅僅是蠟燭燃燒消耗了氧氣的結果．[3]因為蠟燭燃燒不僅消耗氧氣,還產生了二氧化碳[4],兩者體積大致是相等的,如果只是這樣,高腳杯內氣體的壓強不會變化太大．真正使可樂被吸入高腳杯的原因是在蠟燭燃燒的過程中,空氣被加熱,有一部分空氣先逸出了玻璃杯,在蠟燭熄滅后,高腳杯里的氣體快速冷卻,氣壓變小,從而可樂被大氣壓壓入高腳杯內．

2.3 利用蠟燭的密度設計實驗“下沉的蠟燭”

蠟燭的密度比水小,這是蠟燭的物理屬性,下沉的蠟燭看起來好像是不合理的．利用液體流速與壓強的關系就可以設計出“下沉的蠟燭”實驗,課堂演示效果明顯．(見圖3)

圖3 下沉的蠟燭

實驗器材:一節紅色蠟燭,電動攪拌器,透明塑料小桶,水．

實驗過程及現象:在塑料桶里裝滿水,蠟燭會浮在水里,用電動攪拌器在水桶底部攪打,發現蠟燭很快就沉了下去．

思考與改進:用透明的水桶和紅色蠟燭是為了使實驗的演示效果更明顯,如果沒有電動攪拌器,可以用手伸入水中不同位置攪動來代替,也有會一定的效果．這個實驗還可以將蠟燭和雞蛋放在一起作為對比實驗,雞蛋一開始是沉在水底,在上方水中攪拌,會看到雞蛋上浮,與蠟燭的現象剛好相反[5]．

2.4 利用蠟燭的火焰設計“隔岸點火”實驗

此實驗與氣體的流速與壓強知識點有關,蠟燭被“隔岸”點燃(見圖4),實驗現象比較新奇,實驗器材和操作也比較簡單,可以作為學生小組探究實驗在教師的指導下進行．

圖4 隔岸點火

實驗器材:蠟燭,打火機,白紙,吸管．

實驗過程及現象:點燃兩支蠟燭,并調整好距離,使他們相鄰地固定在紙上,先點燃其中一支,接著用吸管在兩個燭芯之間持續吹氣,控制好吹氣的速度,觀察到先點燃的蠟燭把另一支蠟燭點燃了．

思考與改進:當吸管向兩個燭芯之間吹氣時,流速大壓強小,蠟燭外側空氣流速慢,壓強大,將一側的火苗壓至另一邊,點燃了另一支蠟燭．吸管要選用細長的,吹出的氣流不僅集中,而且流速也大．兩支蠟燭靠近并且一高一低擺放更容易成功．燈芯要長一點,這樣產生的火苗長,在氣流變化時偏向更明顯．另外,在燭芯之間靠近底部的地方吹氣不容易影響蠟燭的燃燒．

2.5 利用蠟燭的形狀設計“蠟燭蹺蹺板”實驗

在蘇科版初中物理第11章“杠桿”這一節中,就有一個蠟燭蹺蹺板的小制作．在思考的基礎上對這個實驗作出了一點改進,使得實驗現象更加明顯,不僅有利于上課演示,也方便學生取材(見圖5)．

圖5 改良版蠟燭蹺蹺板

實驗器材:塑料桶,縫衣針,生日蠟燭,打火機,吸管,小刀,剪刀．

實驗過程及現象:將蠟燭另一頭的燭芯剝出一點兒,用縫衣針在火上烤過后快速地垂直穿過蠟燭的正中間,把這個杠桿架在兩只一樣高的塑料桶上,演示時,先后點燃兩端的蠟燭,就可以看到兩個火苗在“玩”蹺蹺板．

思考與改進:這個蠟燭蹺蹺板是一個杠桿,蹺蹺板一開始是平衡的,點燃蠟燭的一端(設為A端),蠟液滴下后A端質量減少,蹺蹺板會向另一端(設為B端)傾斜,再點燃B端．此時,A端朝上,B端朝下,朝下會使得這端的蠟燭在火焰上方,加速了B端蠟燭的融化,而朝上的A端則沒有出現這種現象,于是B端質量快速降低,直到小于A端質量,此時B端上升,A端向下傾斜,導致A端快速融化質量減小,直到小于B端質量,A端又上升．如此往復,蹺蹺板就會來回蹺個不停．在思考后作了一點改進,選擇了比較細長的生日蠟燭,首先生日蠟燭比較細,會加快較低的一端蠟燭融化的速度,由此帶來的兩端質量差會迅速體現出來,這樣蹺蹺板的動作快速而連貫,也不必等待一段時間才有蹺動的現象．又考慮到縫衣針如果直接穿過細的蠟燭會比較難操作,而且生日蠟燭容易斷裂,在實驗中增加了一個吸管做成的蠟燭套,具體操作是取一小段吸管,將吸管套在生日蠟燭中間位置,垂直于軸線穿入一根縫衣針卡住蠟燭,使其不會左右滑動即可．

3 總結與思考

我們總說生活處處皆物理,如果學生在學習物理后卻不能對生活中的一些物理現象作出解釋,那么無疑會使他們產生一種學物理無用的情緒．如果學生在被問及某部分知識時只記住了幾個概念和怎樣做這一章的物理題目,甚至都不能舉出一些生活中和這些知識有關的現象,那么我們倡導的探究式教學就太失敗了．很多簡單有趣的物理實驗,學生都能在生活中利用隨處可見的物品自己動手做一做,在做的過程中體會物理的奇妙．[6]“紙上得來終覺淺,絕知此事要躬行”,古人的智慧即使放在今天也是具有借鑒意義的,從書本上、課堂上學到的知識如果不通過一定的途徑內化為學生自己的知識,那么學習也就失去了意義．

設計一些低成本、易取材的物理實驗,用有趣的實驗現象激發學生自己動手做實驗的興趣和熱情,不僅有利于學生的自身發展,而且他們在家做實驗,也相當于一個小范圍的科普推廣,對于提高全體公民的科學素養也略有助益．本文提及的以蠟燭為主開發的系列物理實驗,根據其各自不同的特點,可以作為課堂演示實驗、小組探究實驗或者課后探究實驗等,教師在設計系列實驗時也要考慮其利用方式,將物理實驗從實驗室搬到生活中去．

1 孫留橋.“生活化”物理實驗培養學生科學素養的探索[J]. 物理教師,2013,34(8):42-43.

2 蔣玉英.生活化的初中物理實驗教學與研究[J]. 中學物理教學參考,2015,44(1):57.

3 蔡同歡.“蠟燭喝水”實驗應如何解釋?[J]. 物理教師,1999,20(9):6.

4 穆尚禮.用蠟燭做的一組小實驗[J]. 物理教師,1999,20(2):19-20.

5 錢永昌,閃芳芳.整合低成本實驗資源,開發精彩物理實驗——“流體壓強與流速的關系”一節相關的低成本物理實驗介紹[J]. 物理教師,2013,34(12):48-49，51.

6 張偉,郭玉英.論“非常規”物理實驗的教學地位[J]. 課程·教材·教法,2007,27(12):51-56.

本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃2013年度課題“我國探究教學實施中的問題及其對策研究”(D/2013/01/082)成果之一.

2017-04-12)