四種新技術(shù)、新材料在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.doc

四種新技術(shù)、新材料在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用 苗壯 當(dāng)今時(shí)代是一個(gè)高新技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代。僅最近30年來(lái)，就出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D打印和納米材料、石墨烯、碳纖維等大批新技術(shù)和新材料。新技術(shù)、新材料為我們的生活帶來(lái)了很多便利，同時(shí)也可以有效彌補(bǔ)中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的不足，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限。限于篇幅，本文僅對(duì)釹鐵硼材料、超級(jí)電容、紅外熱成像儀和3D打印技術(shù)引入中學(xué)物理教學(xué)的必要性和教學(xué)方案做粗淺討論。 釹鐵硼材料在電磁感應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用 釹鐵硼材料，也稱(chēng)為釹鐵硼磁鐵（NdFeBmag），是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新型永磁材料，主要成分是釹、鐵、硼（Nd2Fe14B）的合金，是目前已知的磁性最強(qiáng)的永久材料，也是最廣泛使用的稀土磁鐵。 人教版高中物理選修-第93頁(yè)的“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)：在玻璃皿的中心放一個(gè)圓柱形電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個(gè)圓環(huán)形電極，把它們分別與電池的兩極相連，然后在玻璃皿中放入導(dǎo)電液體，例如鹽水，如果把玻璃皿放在磁場(chǎng)中，液體就會(huì)旋轉(zhuǎn)起來(lái)1。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路精妙，不論是演示實(shí)驗(yàn)還是讓學(xué)生自己動(dòng)手，教學(xué)價(jià)值都很高。但筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象微乎其微，為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，可將馬蹄形磁鐵用釹鐵硼磁鐵代替，則實(shí)驗(yàn)效果立即變得明顯。 在做“通電導(dǎo)線(xiàn)與磁體通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生相互作用”的演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果像課本中的原理圖那樣，把一段直導(dǎo)線(xiàn)懸掛于馬蹄形磁鐵內(nèi)部，通以直流電，由于普通馬蹄形永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度低，安培力較弱，導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)不明顯。過(guò)去的改進(jìn)方法是采用方形線(xiàn)框來(lái)代替直導(dǎo)線(xiàn)，然而線(xiàn)框畢竟與課本中的原理圖所示不同，需要教師在講解時(shí)繞彎子給學(xué)生做說(shuō)明。事實(shí)上，只要將原理圖中的馬蹄形磁鐵用兩塊釹鐵硼磁鐵代替，而其他裝置保持不變，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果。因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度大，安培力大，無(wú)需線(xiàn)圈，只要一根導(dǎo)線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)效果就十分明顯。 紅外熱成像儀在物理教學(xué)中的應(yīng)用 任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體，都會(huì)因分子的熱運(yùn)動(dòng)而不斷輻射出紅外線(xiàn)。紅外熱成像儀就是通過(guò)紅外探測(cè)CCD將物體紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)處理后顯示到液晶屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的成像圖。與其他測(cè)溫儀器相比，紅外熱成像儀具有非接觸、圖像直觀(guān)、響應(yīng)快捷、能反映二維溫度場(chǎng)分布等優(yōu)勢(shì)。 20世紀(jì)90年代以前，紅外熱成像儀的價(jià)格動(dòng)輒數(shù)十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)，普通中小學(xué)根本沒(méi)有條件使用。近年來(lái)，隨著非冷卻紅外CCD芯片的不斷商品化，紅外熱成像儀的售價(jià)大幅下降，目前淘寶上已經(jīng)出現(xiàn)了售價(jià)兩千多元的紅外熱成像儀，完全具備進(jìn)入中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用中的條件。 利用紅外熱成像儀能夠以圖像方式直觀(guān)反映溫度場(chǎng)分布的特性，可以將紅外熱成像儀引入初中物理熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。在熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中取消傳熱體上的溫度計(jì)或示溫物質(zhì)，直接用紅外熱成像儀對(duì)準(zhǔn)傳熱體進(jìn)行觀(guān)察，不僅簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，而且形象直觀(guān)，一目了然。在課堂演示時(shí)，可以將紅外熱成像儀與電腦連接起來(lái)，將溫度分布圖像投影到大屏幕上供全班學(xué)生觀(guān)看。經(jīng)濟(jì)型紅外熱成像儀如果沒(méi)有電腦接口，可以用一個(gè)視頻攝像頭對(duì)準(zhǔn)紅外熱成像儀的液晶屏拍攝，然后投影到大屏上。 另外，紅外熱成像儀還可以在教學(xué)高中物理選修3-4第十四章電磁波譜一課時(shí)讓學(xué)生親眼“看到”紅外線(xiàn)的存在。在學(xué)生探究活動(dòng)中可以安排學(xué)生體驗(yàn)全黑環(huán)境下用紅外熱成像儀觀(guān)察目標(biāo)。電路制作活動(dòng)中可以讓學(xué)生用紅外熱成像儀發(fā)現(xiàn)潛在的電路故障點(diǎn)，體驗(yàn)紅外線(xiàn)的存在，感受高科技的魅力。 用超級(jí)電容做大電流實(shí)驗(yàn)電源 超級(jí)電容器，又稱(chēng)法拉電容器，是一種電化學(xué)電容器。其簡(jiǎn)單工作原理是當(dāng)向電極充電時(shí)，電極表面電荷將吸引周?chē)娊赓|(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小，再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬(wàn)倍地增加，從而產(chǎn)生極大的電容量2。超級(jí)電容的儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次，它的突出優(yōu)點(diǎn)是容量超大、大電流放電能力超強(qiáng)、功率密度高、充放電時(shí)間短，目前已經(jīng)有1000法拉以上的產(chǎn)品，是人類(lèi)現(xiàn)在制造出的容量最大的電容器。 人教版高中物理選修-中第92頁(yè)的“平行通電直導(dǎo)線(xiàn)之間的相互作用”實(shí)驗(yàn)，相信很多教師都有過(guò)失敗的體驗(yàn)，即便是成功的，現(xiàn)象也不很明顯，離學(xué)生的期望差距很大，實(shí)驗(yàn)效果不理想。要使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可行的辦法之一是讓平行導(dǎo)線(xiàn)中的電流大一些，而普通學(xué)生電源的電流容量很小，實(shí)際操作時(shí)如果不給導(dǎo)線(xiàn)串聯(lián)限流電阻，學(xué)生電源很快進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，筆者改用負(fù)載能力最大的磷酸鐵鋰電池實(shí)驗(yàn)，結(jié)果電池也很快就損壞。 為此，筆者試著將一只耐壓5.5V、容量為4F的超級(jí)電容器（淘寶售價(jià)僅4.5元）代替常規(guī)電源。先通過(guò)一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)串聯(lián)一個(gè)1.5歐的大功率電阻給超級(jí)電容充電，然后將開(kāi)關(guān)的刀位擲向平行導(dǎo)線(xiàn)一側(cè)，在產(chǎn)生電火花的同時(shí)，平行導(dǎo)體在水平方向上拉開(kāi)，說(shuō)明豎直方向的平行通電導(dǎo)體間有力的作用。后經(jīng)多次連續(xù)演示，超級(jí)電容器平安無(wú)事，效果極佳。 在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，類(lèi)似這樣需要大電流的實(shí)驗(yàn)還有很多，比如上文提到的旋轉(zhuǎn)的液體實(shí)驗(yàn)、通電導(dǎo)線(xiàn)與磁體通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生相互作用實(shí)驗(yàn)和奧斯特實(shí)驗(yàn)。相信我們只要稍加探索，不難找到用超級(jí)電容器解決的辦法。 物理教學(xué)中應(yīng)用3D打印的設(shè)想 3D打印技術(shù)是一種“快速成型技術(shù)”，不同于切削加工，3D打印是“增材制造技術(shù)”。3D打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過(guò)電腦控制把打印材料一層層疊加起來(lái)，最終把計(jì)算機(jī)上的模型數(shù)據(jù)變成實(shí)物。3D打印無(wú)須機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本3。美國(guó)新媒體聯(lián)盟發(fā)布的國(guó)際教育信息化xx地平線(xiàn)報(bào)告認(rèn)為：在未來(lái)45年期間，3D打印將會(huì)被廣泛采用，是可能會(huì)對(duì)教育教學(xué)產(chǎn)生重大影響的新興技術(shù)4?？梢?jiàn)，盡管3D打印的教育應(yīng)用還遠(yuǎn)未成熟，但有必要對(duì)基礎(chǔ)教育領(lǐng)域如何應(yīng)用3D打印進(jìn)行前瞻性探討。 3D打印能夠快速、低成本、更加真實(shí)地呈現(xiàn)物體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于中學(xué)物理教學(xué)來(lái)說(shuō)有重要價(jià)值。物理學(xué)科中有許多宏觀(guān)或者微觀(guān)的內(nèi)容，如盧瑟福原子模型、波爾原子模型、各種物理裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，學(xué)生理解起來(lái)會(huì)碰到困難。如果將類(lèi)似內(nèi)容和抽象物理圖景用3D打印機(jī)打印出來(lái)，使之變成實(shí)物，無(wú)疑能夠化解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，提高他們的學(xué)習(xí)興趣。在條件具備時(shí)，讓學(xué)生將自己的想象打印成實(shí)物，更能有效地培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力并獲得深刻的感知體驗(yàn)。對(duì)于物理教師來(lái)說(shuō)，3D打印的快速成型特性無(wú)疑在自制教具領(lǐng)域有重要價(jià)值。在教學(xué)實(shí)踐中，物理教師往往有許多自制教具的靈感或設(shè)計(jì)方案，卻因?yàn)椴牧想y找或者造型加工困難而不得不放棄。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，完全可以解決這一困境，3D打印技術(shù)采用逐層疊加的原理進(jìn)行生產(chǎn)，可以高效、高精度地將教師設(shè)計(jì)好的零件直接打印出來(lái)，教師所需要做的僅僅是在電腦上將這些零件的三維模型設(shè)計(jì)好。 目前，世界各國(guó)都對(duì)新技術(shù)、新材料的研發(fā)和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)日益重視。隨著新技術(shù)革命的進(jìn)行，各種行業(yè)將面臨巨大的變革，教育行業(yè)自然不能例外，新技術(shù)必將對(duì)現(xiàn)有教學(xué)產(chǎn)生深刻的影響?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)的到來(lái)，新技術(shù)、新材料成本會(huì)隨之下降，性?xún)r(jià)比會(huì)越來(lái)越高。將新技術(shù)、新材料引入中學(xué)物理教學(xué)，可以給學(xué)生提供了解科學(xué)發(fā)展前沿的窗口，引導(dǎo)他們將眼光投向?qū)W校之外的世界，使他們開(kāi)闊視野，激發(fā)他們對(duì)物理學(xué)的興趣和探求的強(qiáng)烈欲望。 參考文獻(xiàn) 【1】物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教材3-1M.北京：人民教育出版社，xx(1). 【2】凌云，