自制教具探究“類比法”在物理學中的應用

1、自制教具探究“類比法”在物理學中的應用以電流的形成為例內(nèi)容摘要：電流的形成原因，即電壓，在初中物理學中是一個教學難點，是把它和水流的形成原因相類比而引入的一個概念，但通常是用原理圖來類比推理，很少真正用實驗來演示、探究和推理，主要原因是缺乏專用的實驗裝置。為此，我們通過調查研究，充分利用生活中的物品，設計和制作了一套專用演示裝置，通過對比演示、類比推理，讓學生學會了利用類比法去研究物理問題的方法。 關鍵詞：自制教具 類比法 物理學當今時代，隨著人們生活水平的提高、科學技術日新月異的發(fā)展，各種日用品可謂是應有盡有，其科技含量也越來越高。物理學是典型的實驗科學，又和日常生活緊密聯(lián)系?！皬纳钭呦蛭?/p>

2、理，從物理走向社會”1，這是新課程標準的一個基本理念?！邦惐妊芯糠ā?，是研究物理學的常用方法之一，它是根據(jù)兩個對象之間的某些方面的相似或相同而推出在其它方面也可能相似或相同的一種邏輯推理方法。恩格斯說；“類比是從一個研究領域過渡到另一個研究領域，也就是采用這個研究領域的研究成果來解釋說明另一個研究領域的事物”2。初中物理中常用形象直觀的事物類比抽象的事物。如探究電流的形成原因與水流的形成原因類比、電壓和水壓類比、聲波和水波類比、內(nèi)能和機械能類比等等?，F(xiàn)行各種初中物理教材版本，都是用類比的方法引出“電壓”概念的。但真正用實驗演示的方法，把二者進行對比演示，在實際操作中是不容易的。主要困難是：一般

3、學校的實驗室都缺乏微型抽水機和微型水輪機，如果用一般實驗室所具有的抽水機模型等來組裝，不僅體積大、笨重，且還難以找到與之相匹配的電動機。為此，我們經(jīng)調查研究，充分利用生活中的一些日常用品，通過自制及改裝，設計和制作了一套“電流和水流形成原因類比演示裝置”，它不僅取材容易、制作簡單，更具有對比鮮明、形象生動、效果明顯的特點。設計原理如圖1所示（圖片來源于教科版物理教材九年級上冊圖5-2-2）：圖11.水輪機模型的制作：用易拉罐的金屬盒為原材料，先用剪刀剪一個直徑約7厘米的金屬板（如圖2所示），并沿圖中所示的直線剪開，再將剪成的8條金屬片扭轉900 ，用小號一字型螺絲刀在其園心處開一寬約2毫米的矩

4、形孔。另用一塊金屬片剪成一個如圖3所示的梯形,并沿著兩條虛線（相距3厘米）折900，做成一個帶水槽的葉輪支架。取一段長約3.5cm的鐵絲作轉軸，中部壓平，兩端各套一段圓珠筆芯（用來將葉輪固定在鐵絲中點位置上），最后將葉輪固定在支架上，一個水輪機模型就做成了。圖312cm12cm8cm圖22.帶排水管的容器制作：高水位容器a和低水位容器b可用小賣部裝口香糖的透明方塑料盒制作， a容器固定在裝置的頂部（我們利用了廢舊飲水機上的容器制成），把水輪機模型固定在b容器上后，再將其安裝在底座上。3.微型抽水機及馬達：通過對日常家用電器的調查了解，發(fā)現(xiàn)有一種家用飲水機里面，恰好有一個完全符合本裝置要求的微型

5、抽水機及配套的直流馬達，規(guī)格是8v12v直流電源，完全可以用“學生電源”。到廢品回收站很容易就找到一個類似的廢舊飲水機，取出后找一段合適的水管與容器b相連，把馬達輸入接線柱安裝在底座上，馬達固定在裝置的豎直木板支架上。圖5圖44.水路中的其它器件及裝置：水流所用水管，可采用市場上出售的規(guī)格為8mm的透明塑料管（又稱為“水平管”），用管卡固定；開關可用天燃氣開關代替。底座和支架用11.5cm厚度的木板制作，最后將各器件及模型組裝起來，如圖4所示。5.電流的形成裝置：主要元件可用實驗室的器材來組裝，導線可用1.5mm2的鋁芯線，電源使用“學生電源”，小燈泡選用規(guī)格為“6v，0.2a”，另找一只低壓

6、大容量的電解電容器，如規(guī)格為“25v，3300f”，該電容器是一個儲存電荷的元件，作用類似于前面的盛水容器。用螺釘將各電路元件固定在支架木板的另一側，這樣可使兩套裝置合二為一，使用方便，對比性強。如圖5所示。演示時，先把水路開關關閉，在a容器注入適量的水，為便于觀察，可將水著色。打開水路開關觀察水的流動情況：水從高水位的a容器流向低水位的b容器；同時，水輪機轉動；a容器中的水位逐漸降低， b容器的水位逐漸升高；當a容器中的水全部流入到b容器中時，a、b兩容器之間沒有水位差即“水壓”，水停止流動，說明a、b兩容器之間有持續(xù)水流的原因，是它們之間有“水壓”，水壓是水流形成的原因。如果要使這個水路中

7、有持續(xù)不斷的水流，就得使a容器中的水位總是高于b容器中的水位?，F(xiàn)在接通電源使抽水機把b容器中的水不斷地抽到a容器中（水流量可由輸入電壓調節(jié)），就能使它們之間總有一定的水壓。說明抽水機在本裝置中的作用是提供水壓。把本裝置水平轉動1800，先將電容器在學生電源的“6v”檔位上充滿電，再將其的正、負極分別接在電路的上、下兩接線柱上。告訴學生，這只電容器不是電源，但它可儲存電荷。閉合開關，可觀察到小燈泡發(fā)光，但很快熄滅。說明電路中有了電流，但不是持續(xù)電流。這一現(xiàn)象和a、b兩容器間一開始有水流相似。斷開電容器，把電源接入電路兩端之間，閉合開關后，小燈泡可持續(xù)發(fā)光，這與前面實驗中用抽水機把低水位的水抽到高

8、水位后，就能保持有持續(xù)不斷的水流相似，說明持續(xù)電流的形成原因和持續(xù)水流的形成原因也相似。物理學中與水壓相類比從而引入了“電壓”的概念，水壓是形成水流的原因；電壓是形成電流的原因。抽水機的作用是提供了水壓；電源的作用也就是提供電壓。它們的類比關系如下：類比對象水流的形成電流的形成裝置類比a容器正電極b容器負電極水路電路水路開關電路開關水輪機燈泡抽水機電源概念類比水流電流水壓（水位差）電壓（電位差）物理原理類比水壓是形成水流的原因電壓是形成電流的原因抽水機是提供水壓的裝置電源是提供電壓的裝置利用本裝置演示，課堂用時大約5分鐘，但這5分鐘讓學生從直觀的實驗現(xiàn)象到抽象的推理，自然、生動、邏輯性強，把對科學的神秘感轉化為了對