高中熱學演示實驗儀器的研究與實驗設計

1、 高中熱學演示實驗儀器的研究與實驗設計 摘要 物理學是一門實驗科學，在物理學中，每個概念的建立、定律的發(fā)現(xiàn)都有其堅實的實驗基礎。物理演示實驗是密切配合物理課堂教學內(nèi)容由教師操作并引導學生觀察的實驗教學方式。它能夠起到激發(fā)興趣、加深理解、鞏固記憶、促進思考、培養(yǎng)能力的作用，是物理教學的重要組成部分。而熱學作為物理教學的組成部分，其理論教學和實驗教學方法和特點都區(qū)別于其他學科，因此，我們有必要對熱學演示實驗的教學進行研究。關鍵詞 熱學 演示實驗 實驗設計 引言 熱學作為物理教學中的重要組成部分，其理論教學和實驗教學的方法和特點都區(qū)別于其他學科。隨著中學課程改革的實施，熱學演示實驗得到了越來越多的關

2、注和重視，作用也越來越大。然而，也有不少學校，由于條件或者其他因素的限制，對熱學演示實驗沒有給予足夠重視。就以上問題，作者認為應該加強對熱學演示實驗理論和實踐的研究，更好的服務于教學。1演示實驗的作用和基本要求1.1演示實驗的作用所謂演示實驗就是指教師在課堂教學中，為組織學生觀察，思考而進行的實驗操作演示活動。演示實驗是物理教學的重要手段之一，是體現(xiàn)具體與抽象相統(tǒng)一，理論與實踐相結合的教學原則的重要方法。其作用主要表現(xiàn)在以下三個方面:演示實驗能直觀形象地為學生提供感性認識，是學生形成物理概念，理解物理現(xiàn)象的基礎。它能將日常生活實踐中不易觀察到的或習以為常而未引起注意的物理現(xiàn)象突出地顯示出來。演

3、示實驗能使學生加深對講授內(nèi)容的理解，鞏固記憶，激發(fā)興趣，誘導思考，糾正錯誤觀念，建立正確的認知。演示實驗能培養(yǎng)學生的觀察能力，思維能力和科學的思維方法，是提高學生發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題能力的有效途徑。11.2演示實驗教學的基本要求演示實驗要有利于學生觀察。演示實驗是教師在講臺上，借助于組裝好的儀器和設備，分步驟地操作，將實驗現(xiàn)象展示在學生面前，用以幫助學生學習的一種教學方法，所以有利于學生觀察是對演示實驗最基本的要求。演示實驗要有利于學生建立概念掌握規(guī)律。在教學中，學生觀察演示實驗的主要目的，是為了更好地建立概念、掌握規(guī)律，所以演示實驗必須注重科學性。演示實驗的科學性主要指實驗裝置的科學

4、性、實驗操作的科學性和實驗解釋的科學性。演示實驗要有利于培養(yǎng)學生實驗能力。中學物理教學作為中學教育的一個重要方面，不僅應關注人類發(fā)展和文化傳承的需要，更應當關注人的全面發(fā)展的需要；不僅應注重物理知識的學習，更應當注重相關科學能力的培養(yǎng)、科學觀點與科學精神的建立、科學方法的掌握、科學態(tài)度的端正。演示實驗可以從知識、能力、觀點、方法、態(tài)度、情感諸方面有效地促進學生的全面發(fā)展。演示實驗要有利于提高學生科學研究水平科學的核心是探究，教育的目標是促進學生發(fā)展。中學物理教學應當體現(xiàn)這兩者的結合，讓學生在學習中通過科學探究，進而理解物理學的本質，形成科學態(tài)度、情感與價值觀，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和實踐能力。這就要求我

5、們物理演示實驗從原來以建立概念、總結規(guī)律、傳承知識為基點，轉移到以物理知識的講授和技能的培養(yǎng)為載體，讓學生經(jīng)歷科學探究過程，從中學習科學研究方法，培養(yǎng)科學探究精神、實踐能力及創(chuàng)新意識。2.熱學演示實驗在教學中的作用中學物理課程中的熱學部分就其內(nèi)容來講主要是經(jīng)典物理學中最基本、最簡單、與實際聯(lián)系最密切的部分。其主要概念、規(guī)律都是在實驗基礎上建立起來的。理想的熱學教學過程應該是：在教師的指導下，學生一邊實驗，一邊觀察，通過總結分析獲得知識。由于客觀條件的限制，不可能所有的實驗都由學生親自動手來做，大部分實驗是由教師做給學生看。從這個意義上講，熱學演示實驗是學生最集中地獲得熱學現(xiàn)象的主要來源。同時熱

6、學演示實驗在培養(yǎng)學生觀察能力、實驗能力、提高學生學習物理的興趣等各方面都起著十分重要的作用。它在教學中的作用主要體現(xiàn)在：（1）為學生提供必要的感性知識中學物理的內(nèi)容雖與日常生活中許多現(xiàn)象有密切的聯(lián)系，但中學生尚缺乏有關的物理知識，往往不能深刻地感覺這些現(xiàn)象，難以找出這些現(xiàn)象所反映的物理本質。而且有些物理現(xiàn)象似乎與日常生活中給學生的印象不一致。因此有必要通過演示實驗把物理現(xiàn)象的特征突出地顯示出來，使學生獲得豐富、深刻、正確的感性認識。這樣學生不僅容易記住結論，而且在頭腦中形成了一定的物理圖像。（2）是歸納物理概念和規(guī)律的基礎中學物理中的大部分概念、規(guī)律都是在實驗的基礎上得來的，演示實驗直接為學生

7、提供豐富的感性材料，幫助學生建立概念或為規(guī)律提供實證，這樣學生對概念、規(guī)律的理解就深刻的多了。如果不進行實驗或實驗不成功，學生就會對結論產(chǎn)生懷疑或者印象不深。（3）培養(yǎng)學生的觀察能力、實驗能力通過對演示實驗講解、分析，引導學生觀察，使學生不僅看到實驗現(xiàn)象，也學習了觀察的方法，培養(yǎng)學生全面、細致的觀察能力。通過細致的觀察，學生不僅認識了現(xiàn)象，而且提高了觀察能力。（4）引起學生的興趣，吸引學生的注意興趣是最好的老師，有了興趣就有了內(nèi)在的動力，可以得到好的學習效果。中學生持續(xù)注意時間一般不超過20分鐘，教師在上課時要采用多種教學方法，演示實驗則是物理教學中最有效的方法之一。一個精彩的演示實驗會引起學

8、生興致盎然地去觀察，并能留下深刻的印象，引起激烈的討論。53.做好熱學演示實驗應注意的問題（1）明確實驗目的熱學演示實驗的實驗目的，并不是由實驗內(nèi)容決定的，而是由課堂教學需要決定的。通過一個演示實驗，究竟要說明什么問題，教師必須對此十分清楚，從而選擇典型的實驗內(nèi)容，設計最簡明的實驗裝置。 （2）注意演示的科學性和嚴密性熱學演示實驗的科學性和嚴密性是與學生的認知能力及中學實驗的誤差要求相統(tǒng)一的。它具體體現(xiàn)在三個方面：實驗原理本身要科學嚴密。實驗內(nèi)容與教學內(nèi)容要有機結合，兩者間要有正確的邏輯關系。教師的實驗操作和讀取處理實驗數(shù)據(jù)要規(guī)范。由于熱學演示實驗對學生有明確的示范作用，對上述三點我們必須十分

9、注意，否則會給學生帶來不良的影響。（3）確保實驗一次成功熱學演示實驗必須力求一次成功，這對于提高教學效果是極其重要的。若實驗不能一次成功，就會削弱學生的信服力，影響師生情緒，耽誤學習時間。（4）確保實驗的安全熱學演示實驗中，必須保證安全，不要安排具有危險性的實驗內(nèi)容。具體來說，在演示實驗操作過程中，應遵循以下要點：.不要演示可能有害學生健康的實驗。A、無不可控的爆炸。B、在沒有通風的情況下不產(chǎn)生煙、氣。C、在沒有給學生提供防護的情況下，無強光或強熱產(chǎn)生.對于每一個演示都要有書面的操作程序。.知道所有與演示相關的活動和設備的危險情況。.在附近有合適的緊急安全設施。.處理好用過的物質。.教師要想方

10、設法增大演示實驗的觀察效度。24.對常用熱學演示實驗儀器的研究4.1溫度計常用的溫度計有:水銀溫度計、酒精溫度計、煤油溫度計。4.1.1溫度計的作用及結構原理溫度計是用來測量物休溫度的.常用溫度計由玻璃泡和毛細玻璃管組成.玻璃泡內(nèi)裝水銀、酒精或煤油.玻璃泡上方連著的毛細玻璃管的厚壁上有刻度.當溫度上升時，泡內(nèi)的液體膨脹液面上升.溫度下降時，泡內(nèi)的液體收縮液面下降.從液面的位置可讀出溫度的數(shù)值.所以.常用溫度計是根據(jù)液體熱脹冷縮原理制成的.4.1.2溫度計的使用方法使用前,先要觀察溫度計的量程,選擇合適的溫度計,要清楚其最小刻度,以便準確地讀數(shù)。測溫前應估計被測溫度的高低,以免被測溫度過高,溫度

11、計里的液體把溫度計脹破。測量溫度時,應使溫度計的玻璃泡跟被測物體充分接觸。溫度計的示數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)。讀數(shù)時溫度計的玻璃泡要留在被測液體中,視線與毛細管中的液面相平。如果是水銀溫度計,應以凸面為準,如果是酒精或煤油溫度計,觀察時應以凹面的底部為準。4.1.3 使用溫度計中的常見錯誤使用時,常常剛把溫度計插入水面就立即松手,以致砸破溫度計下端的玻璃泡。將溫度計玻璃泡從待測液體中拿出來讀數(shù)。在溫度計玻璃泡觸及容器底或側壁的情況下讀數(shù)。讀數(shù)時,視線與溫度計玻璃管不垂直。溫度計的玻璃泡未完全浸入待測液體中。4.2酒精燈在熱學實驗中,酒精燈是加熱最常用的加熱儀器,它的結構簡單,主要由容器、燈芯、燈帽組成,

12、但使用時確有很多問題須要注意。4.2.1酒精燈使用前檢查酒精。檢查燈里是否有酒精,若無酒精或少于容積的四分之一以下,就應向燈里添加酒精。添入酒精量不能超過燈身容積的三分之二。檢查燈芯。檢查燈芯是否平整、燒焦及其長短程度、燈芯的松緊度。4.2.2酒精燈使用中點燈之時。點燃酒精燈只能用燃著火柴或木條去點燃,絕不允許用酒精燈引燃另一只酒精燈。加熱之中。A.加熱時用外焰。燈焰分焰心、內(nèi)焰、外焰三部分。外焰燃燒充分,溫度最高。B.酒精少于容積四分之一以下時應及時補充。4.2.3酒精使用后給物質加熱完畢,需移去并熄滅酒精燈。熄滅它,只允許用燈帽蓋滅,絕不準用嘴去吹。燈帽必須蓋嚴,以防酒精揮發(fā)而浪費,同時避

13、免燈芯中的酒精吸收空氣水分,導致下次使用時很難點燃。4.3 壓強計壓強計的結構如圖4.1所示. 實驗前,安裝好壓強計后,U型管左右液面相平,都對準“0”刻度線.實驗中,把探頭放入液體中時,左液面下降,低于“0”刻度線;右液面上升,高于“0”刻度線,U型管左右液面出現(xiàn)高度差h,高度差h的變化表示液體壓強的變化。圖4.1 壓強計結構5熱學演示實驗的設計5.1設計原則熱學演示實驗的設計要遵循下述的幾條原則：（1）目的性原則：設計任何實驗首先都必須明確設計的目的和要求。對此，應注意下面幾個問題：設計的實驗應具有明確的目的和針對性。對于設計熱學演示實驗來說，不僅要明確所要設計實驗的實驗目的和要求，還要明

14、確其教學目的和要求。要了解所要設計的實驗在教學過程中的地位和作用，以及在整個教材體系或實驗體系中的地位和作用。要了解所要設計的實驗與相似實驗、相關實驗的聯(lián)系與區(qū)別。要選擇并確定設計的重點和突破口，以方便有針對性地解決設計的重點和難點，確保設計成功。（2）科學性和可行性原則：在設計熱學實驗的過程中，必須確保設計的科學性和可行性。首先是實驗原理必須是科學可行的。實驗原理的科學性主要指實驗中所依據(jù)的物理原理是否正確，是否確切。原理的正確性要求實驗現(xiàn)象必須真實、正確的反映實驗原理，不能弄虛作假，制造假象欺騙學生。實驗原理錯誤是絕對不允許的，但因誤差是由于實驗系統(tǒng)和條件的非理想化產(chǎn)生的，是不可避免的，故

15、實驗中允許存在誤差。原理的可行性指從儀器制作、器材選擇、實驗條件和操作等方面看實驗能否成功，實驗的穩(wěn)定性、重復性和安全性可好。其次，該原則還應從實驗內(nèi)容來看設計的實驗是否符合教育心理學原理，能否應用于實際教學過程，達到一定的教學目標。這主要表現(xiàn)在三個方面:1)實驗原理及其教學程序是否符合學生的認知規(guī)律、心理特點；2)實驗的基本內(nèi)容學生是否能接受、理解；3)實驗及其教學程序是否有利于指導學生觀察、啟發(fā)學生思維。最后，科學性和可行性原則還要考慮設計中實驗方法的應用、技術問題的處理是否科學、合理。（3）簡便性原則：簡便性原則包括原理簡單、儀器裝置結構簡明、操作簡便、由演示現(xiàn)象導出結論時解說或推理簡便

16、、節(jié)省時間等。原理簡單。在設計實驗方案時，往往會根據(jù)不同的實驗原理提出不同的實驗方案。這時，就應根據(jù)中學生的特點，選擇實驗原理比較簡單的方案，以利于對實驗進行分析講解。儀器、裝置結構簡明。只要演示實驗的科學性強、現(xiàn)象明顯，則儀器裝置越簡單越好。儀器結構簡明、裝置容易安置、器材簡便、取材方便，容易突出所設計實驗的原理，有利于學生了解設計思想、實驗原理和實驗方法，了解實驗裝置，而不為那些復雜的結構所干擾。操作簡便。操作簡便不僅有利于一次性成功，增加教師的信心，穩(wěn)定師生的情緒，增加學生對教師及實驗的信任感，而且也有利于學生對實驗過程、步驟等的觀察與思考，不因操作的繁瑣復雜分散學生的注意力。解說推理簡

17、便。演示實驗是為了配合教學而設計的，因此，實驗所依據(jù)的原理、采用的方法、進行的步驟等都應該有利于解釋實驗現(xiàn)象、導出實驗結論。時間要節(jié)省。演示實驗不是獨立于教學之外，而是跟當堂教學緊密相連，要在課堂上完成、受時間的限制。它的地位和作用決定了實驗不能太復雜，進行的時間不能太長。（4）明顯性原則：明顯性不僅僅指儀器裝置的可見度、觀察對象的清晰度、實驗結果的明顯度，還指整個實驗過程是否清楚的顯露出來，容易讓人看到或感覺到。在設計實驗中用以解決實驗的“技術”方面問題時，應注意以下幾點:尺寸要足夠大，觀察對象要大。我們可以設計制作一些本身尺寸較大的儀器、裝置，采用大型的觀察對象以滿足明顯性的要求。實驗現(xiàn)象

18、明顯。除了儀器裝置的尺寸大之外，裝置、材料的選取、實驗顯示的方法等對現(xiàn)象的明顯程度的影響也至關重要。色彩鮮明，明暗合適。為了增大對比度，突出重點、突出觀察對象，使實驗裝置層次分明、結構清楚，把一些不太明顯的部分顯示出來，通常使用各種色彩的搭配和襯托。在實驗設計中主要應用色彩來做背景襯托和染色處理。整體布局合理。演示儀器要放在適當?shù)母叨?，務必使全班學生都能看清儀器裝置。儀器放置太低，教師操作時容易遮擋學生的視線。為了讓學生更好地掌握物理現(xiàn)象的規(guī)律，有時不止讓學生看到一些靜態(tài)現(xiàn)象，還要讓他們觀察到現(xiàn)象的變化和發(fā)展過程。（5）趣味性原則：要使實驗給學生留下深刻的印象，增大感知效果，實驗要有一定的趣味

19、性，實驗產(chǎn)生的現(xiàn)象要給學生一定的感官刺激，以吸引學生的注意力，激發(fā)學生的興趣。實驗只要有新意，能引起學生的興趣就符合了實驗的趣味性這一原則。（6）指導性原則：演示實驗作為配合課堂教學的一種形式，必須具有可指導性。能便于教師指導學生進行觀察、思考，指導學生進行演示操作。65.2設計方法及實踐5.2.1 改革實驗裝置，增強演示效果實例一、壓強計的改進在教學中,發(fā)現(xiàn)該壓強計具有如下的缺點:.完好的液體壓強計,在探頭沒有放入液體中時,液體壓強計中的U型管中的兩液面是相平的,如圖4.1所示.在教學實驗過程中,把壓強計安裝好后,會出現(xiàn)圖5.1所示的現(xiàn)象,其原因是探頭與U型管左管內(nèi)水面間的氣壓大于大氣壓所致

20、.有時無論如何調(diào)整探頭的橡皮膜和膠管,U型管左右管都存在液面高度差h,從而影響實驗.圖5.1 壓強計出現(xiàn)左右液面高度差.實驗前,U型管左右液面相平,都對準“0”刻度線.在實驗中,把探頭放入液體中時,U型管左右液面出現(xiàn)高度差,如圖5.1所示:左液面下降,低于“0”刻度線;右液面上升,高于“0”刻度線,給記錄U型管左右液面高度差帶來不便.在實驗過程中,探頭的深度位置難于固定,造成U型管液面高度差改變,會分散學生的注意力,并且不借助刻度尺,僅憑肉眼無法記錄探頭在液面下的深度.改進方法：如圖5.2所示圖5.2 改進后的壓強計制作步驟如下:.把U型管改為勺型管,把它固定在展示板上,在勺型管勺頭兩側的展示

21、板上,均勻地刻上刻度,勺柄水平對準“0”刻度線.把直膠管更換為三頭膠管,一端套勺型管,一端套探頭,一端夾上夾子2.在金屬探桿上安裝可以上下滑動的橫桿,并在橫桿上安裝夾子1,用于固定探頭在液面下的深度.在金屬桿旁安裝刻度尺,刻度從探頭起向上從“0”開始逐漸均勻增大,便于測出探頭所處液面下的深度.在面板兩側安裝4個可以折疊的底架,便于擺放.在面板背面釘2個支架,用于掛膠管和探頭.使用改進后的壓強計,實驗前不必浪費過多的時間去調(diào)整U型管左右液面是否相平,探頭的深度容易控制,而且?guī)熒几菀鬃x出探頭的深度和壓強的大小變化,縮短了實驗操作時間和記錄實驗數(shù)據(jù)的時間.實驗的連貫性增強了,獲得的實驗數(shù)據(jù)更有利

22、進行實驗分析,提高了實驗效果和教學效率.4實例二、氣體熱膨脹的演示教材中是將“”形玻璃管里面注入一段紅墨水的水柱來顯示空氣受熱時體積的變化。此種裝置的不足之處在于“”形管的水平部分不易做到真正的水平，紅色液柱不好固定住，學生也很容易把液柱的移動誤解為由液柱重力而引起，演示效果很不理想。如果把“”形管改成“N”形管，如圖4.3所示，就不會出現(xiàn)上述問題。用“N”形玻璃管封閉在燒瓶口上演示時，液柱平時穩(wěn)定地處于管的彎曲部分的底部，當燒瓶內(nèi)的空氣受熱膨脹時液柱被推動著沿管的豎直部分上升，絕對不會造成學生的誤解。圖5.3 N形玻璃管5.2.2巧做實驗，方法創(chuàng)新實例一、乙醚染色乙醚是無色液體，能見度較小，

23、在完成有關未飽和汽與飽和汽等實驗中，為了判定乙醚蒸氣是否處于飽和狀態(tài)，需要觀察液態(tài)乙醚的存在與否，最好將乙醚染色，具體方法有:(1)將紫草根(治療燙傷的中草藥之一，中藥店有售)浸泡在乙醚液體中，可使其呈紅色；(2)在乙醚中放入少量碘屑，可獲得像碘酒一樣的紫褐色液體“棕色碘乙醚”，實驗證明，棕色碘乙醚蒸發(fā)得很快，并不影響乙醚飽和汽實驗的結論，且極易被觀察到.實例二、氣體熱膨脹實驗在課本介紹的實驗裝置的玻璃管中滴入一些肥皂水，如圖5.4所示，這樣在玻璃管中形成一串小小肥皂泡。由于肥皂泡的表面張力較大，能保持很長時間，當手握住燒瓶時，從肥皂泡在玻璃管水平部分左右移動可反復觀察氣體的熱脹冷縮。如果把燒

24、瓶放在酒精燈火焰上微微加熱，在玻璃管口還會吹出一個很大的肥皂泡，停止加熱，肥皂泡又會縮小。改進后的實驗引起了同學們的濃厚興趣，形象生動地說明了氣體熱脹冷縮的道理。7圖5.4 氣體膨脹演示儀5.2.3 借助于多媒體，模擬演示實驗高中物理對實驗的精確性要求較高，有時需要進行定量分析，而由于實驗室實際器材的限制，或操作上的難度較大，往往使實驗的可見度較低，例如微觀粒子的運動、粒子散射、原子核的裂變和聚變、卡文迪許扭秤實驗、天體運動的演示實驗等等，要在中學實驗室開設這些實驗是不可能的，這時就需要應用多媒體技術來輔助了。實例、分子擴散運動觀察了“布朗運動”后，自然會在學生們的心中產(chǎn)生這樣的疑問：花粉顆粒

25、為什么會這樣運動？所有的花粉顆粒都會產(chǎn)生布朗運動嗎？對于肉眼看不到、用光學顯微鏡也看不到的分子，形象地設計分子構成、分子無規(guī)則運動的動畫，在大屏幕上演示出布朗運動產(chǎn)生的原因，進行分析，微觀世界的現(xiàn)象就以動畫的方式形象地展示在同學們面前，有效地突破了“微粒的大小對布朗運動的影響”這一教學難點，使原本難以理解的事實的解釋變得簡單、生動，學生的學習效率也會因此提高。5.2.4 自制教具，引導學生創(chuàng)新教材中應用性的演示實驗太少，不利于培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、應用基礎的物理知識、基本的實驗原理和技能去解決新問題、擴展思維的能力，所以教師需要多開展自制中學物理演示實驗教具的活動，同時引導學生深入研討教材，分析課本上的演示實驗，從中發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，并提出解決問題的方案。實例一、大氣壓強演示實驗可利用塑料飲料瓶和注射器制作一個簡易的演示儀器，實驗時，當注射器的活塞抽出1/3時，即可看到塑料飲料“璞”的一聲被壓變形，最后將被壓扁，并且不斷發(fā)出“劈劈啪啪”的聲音，這種視覺和聽覺的雙重刺激不但給學生留下極深的印象，而且實驗所需的器材在生活中隨處可見，學生可在課后自己動手制作，培養(yǎng)學生動手能力。實例二、金屬環(huán)的熱脹冷縮實驗中學配備了金屬球熱脹冷縮演示器，為了增加實驗內(nèi)容，可用鋁板(厚3一4mm)再自制一個帶柄的金屬環(huán)