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高中物理疑難實驗解析及解決策略
日期:2013-01-24 來源:岳陽市教科院 關(guān)注:5577

        

岳陽市高中物理實驗骨干教師培訓(xùn)  

      

   

高中物理疑難實驗解析及解決策略  

劉小湖  

Tel:13575084498; E-mail:lxh6742@yahoo.com.cn  

沒有實驗的物理理論是空洞的,沒有理論的實驗是盲目的。正是實驗家使理論家保持老老實實的態(tài)度。 ——帕格爾斯,物理學(xué)家。  

實驗可以推翻理論,而理論永遠無法推翻實驗。——丁肇中,物理學(xué)家。  

講給我聽的,我會忘記……演示給我看的,我會記得……我動手做的,我會終身不忘…” ——.梅爾,美國物理教師協(xié)會主席。  

許多中學(xué)物理老師都有這樣的體會:中學(xué)物理課本中有不少實驗,看似簡單,你真的去做,往往會發(fā)現(xiàn)并非想象中的那么容易。  

                                        例如,高中物理課本中機械波概念的引入,教材上用的是一個如圖所示的繩波演示實驗,按課本所述,用手拿著一根繩子的一端(另一端固定)上下擺動,就會看到一列凹凸相間的波向繩子的另一端傳去,但拉著繩子的一端上下擺動了老半天,卻只見整條繩子在擺動,而不見明顯的波。實際上,這個實驗要想演示出課本所說的現(xiàn)象,在繩子的選擇上很有講究,繩子如何懸掛以及手拿繩子如何擺動也都是個問題。并不是隨便拿根繩子、隨便搖兩下就可以搖出波來的。而這些細節(jié),作為以中學(xué)生為讀者對象的中學(xué)物理課本一般是不會特別地加以說明的。  

      類似的還如光電效應(yīng)的演示實驗也是如此,照課本介紹,把一塊擦得很亮的鋅板連接在如圖所示的驗電器上,用弧光燈照射鋅板,驗電器指針就張開一個角度,但實際上,用弧光燈或紫外線燈照射了老半天,卻不見驗電器指針有要張開的跡象。  

還有一些實驗,如牛頓第二定律的驗證、用打點計時器驗證機械能守恒定律等,雖然均能完成,但實驗誤差太大,結(jié)果令人失望。這樣的實驗挫折經(jīng)歷多次后,教學(xué)新手往往會對實驗產(chǎn)生畏懼心理,久而久之雖然教學(xué)經(jīng)驗不斷豐富,有些還成為了教學(xué)骨干,但不少實驗在他們的手中,疑難程度卻沒有相應(yīng)地降低。  

一、疑難實驗形成的原因  

中學(xué)物理中竟然還有這么多的疑難實驗?這是大多數(shù)新教師始料不及的。人們不禁要問,中學(xué)物理范圍內(nèi)主要涉及的大都是物理學(xué)中比較成熟的知識內(nèi)容,怎么還會有疑難實驗?zāi)??這個問題不解決,就會造成前面所說的由忽視或輕視到畏懼的結(jié)果。  

      首先,作為科學(xué)實驗,這些課題都早已在實驗室獲得了解決。但如今作為教學(xué)內(nèi)容編進中學(xué)物理教科書中的,就屬于教學(xué)的物理實驗。作為教學(xué)的物理實驗,和科學(xué)研究中的物理實驗或在其他應(yīng)用領(lǐng)域的物理實驗有一個最重要的區(qū)別,那就是教學(xué)物理實驗的設(shè)計不僅要體現(xiàn)物理思想、符合科學(xué)性原則,而且必須反映教學(xué)思想、符合教學(xué)原則。例如,簡諧運動圖象的描繪實驗,從技術(shù)上來說,有很多的方法可以描繪出正弦或余弦曲線。但若設(shè)計成如繪圖儀那樣的圖象描繪儀,雖然具有自動化程度和可靠性高、操作簡便等諸多優(yōu)點,但若考察教學(xué)目的,這個實驗必要的一點就是要在所獲得的圖象與振動體的運動之間建立起盡可能直接的、必然的聯(lián)系,以便學(xué)生理解圖象所反映的物理意義。從這一點來看,如果圖象的描繪是通過一個自動化的裝置來實現(xiàn)的而其機理又被有意無意地置于隱蔽地位的話,它就喪失了作為一個教學(xué)的物理實驗存在所必須有的教學(xué)價值。為此,就要設(shè)計出一個既簡單又要可靠好用的裝置,這在技術(shù)上提出了更高的要求。同樣的道理,前述的光電效應(yīng)演示實驗,采用裸露的鋅板并用驗電器檢驗鋅板上的帶電,從教學(xué)思想上來考慮是很值得的,但在技術(shù)上又大大地增加了實驗的難度。此外,如電磁(阻尼)振蕩、光學(xué)中的一些實驗等也都是同樣的問題。這樣帶來的實驗疑難在中學(xué)物理疑難實驗中占有相當(dāng)大的比例。  

其次,實驗的難度是相對于教師的知識、能力和經(jīng)驗而言的。有很多實驗不是疑難問題,但是到了新教師手里,卻成了難題。還有一些實驗,如靜電演示實驗,由于以著名物理教育家朱正元先生為代表的許多前輩學(xué)者的不懈努力,實驗本身已不象很多人想象的那么難,但是要很好地駕馭它,實驗者必須有比較扎實的基本功。必須在掌握有關(guān)知識的同時,花時間去認真琢磨、體會實驗的奧妙,將資料上的分析介紹、別人的經(jīng)驗內(nèi)化為自己的真正理解和切身體會,并堅持在實踐中不斷摸索和積累,才能練就出做好靜電實驗的真功夫。然而,許多剛走上講臺的教師在碰了幾次釘子、特別是在看到許多老教師對靜電實驗也感到頭痛之后,沒有信心和恒心深入鉆研下去。結(jié)果,靜電實驗在很多教師的手里成了頭號疑難實驗,只有在天氣干燥的氣候條件下才敢在課堂上演示。  

此外,中學(xué)物理實驗儀器本身的缺陷也是導(dǎo)致疑難實驗問題的一個重要原因。由于體制的問題,現(xiàn)有的中學(xué)物理實驗室儀器設(shè)備還較普遍地存在許多不如人意的地方。主要表現(xiàn):一是在儀器的生產(chǎn)和配備上對新技術(shù)、新成果的反映太遲鈍,這樣使得一些已經(jīng)很好地解決了的疑難問題由于沒有新的儀器可用而依然疑難如故;二是不少儀器由于粗制濫造導(dǎo)致可靠性很差,使一些根本不難做的實驗由于沒有合格的儀器可用而成為疑難實驗。  

二、典型疑難實驗釋疑  

1、與慣性有關(guān)的實驗釋疑  

      慣性是物體運動中的的基本概念。但是,學(xué)生要從中思考清楚慣性在所觀察到的現(xiàn)象中所起的作用,恐怕不是件容易的事情。因為影響這兩個實驗的因素并不是很單純,特別是如圖所示的實驗,實驗應(yīng)演示的現(xiàn)象是松開彈片后,鋼球下面的硬紙片被彈出,而鋼球則掉到了下面的筒里,所作的解釋是鋼球由于慣性要保持原來的靜止狀態(tài),就留在原處。實際上并不是這樣簡單。在這個實驗中,鋼球具有慣性,要保持原來的靜止狀態(tài),但鋼球受到了硬紙片所施加的摩擦力的作用,它能否掉進筒中,肯定還跟這個摩擦力的大小及作用時間有關(guān)。  

    為簡化起見,我們不考慮鋼球的滾動,鋼球(A)和硬紙片(B)進行受力情況分析。設(shè)鋼球和硬紙片之間的動摩擦因數(shù)為μ,  

則硬紙片B對鋼球A的摩擦力:  

        而:                  所以:  

    可見,aA與鋼球的質(zhì)量無關(guān),只由鋼球和硬紙片之間的動摩擦因數(shù)來決定。這說明什么問題呢?實際上,在彈片對硬紙片作用的過程中,鋼球和硬紙片的加速度方向相同,鋼球能否掉進筒中,必須滿足的一個條件就是硬紙片的加速度至少大于鋼球的加速度,是否滿足這個條件,從外力來說,當(dāng)然彈片對硬紙片的打擊力越大越好;從A、B系統(tǒng)來說,決定的因素是BA的摩擦力,只有當(dāng)使A加速所需要的摩擦力大于BA所能施加的摩擦力時,AB之間才可能相對滑動,鋼球才可能掉進筒中。即使A、B之間有了相對滑動,鋼球的加速度aA也不可能太大,否則仍可能掉出筒外。而鋼球的加速度aA竟與質(zhì)量無關(guān),最后起作用的是A、B之間的動摩擦因數(shù)!換句話說就是,若A、B之間足夠光滑的話,鋼球才有可能掉進筒中,否則不然,而不管鋼球的質(zhì)量如何。這就值得思考了,因為我們知道質(zhì)量是物體慣性大小的量度,一個演示慣性的實驗,能否得到所期望的現(xiàn)象,竟與物體的慣性大小無關(guān),而是由與慣性無關(guān)的摩擦來決定,這難道說得過去嗎?這使得我們不得不要考慮它作為慣性演示實驗的合適性問題。類似的大同小異的例子還很多,也都被用來說明慣性的存在和作用。事實上,這個實驗真正能說明的倒是沖量定理!用于作慣性的演示實驗,不僅存在前面所講的問題和影響因素過于復(fù)雜的問題,而且對學(xué)生的前概念沒有多少針對性,學(xué)生很容易用膚淺的“那是由于慣性”等說法對付所有這一類現(xiàn)象。  

2、與摩擦有關(guān)的實驗釋疑  

            人教版教材設(shè)計的演示摩擦力實驗,是利用彈簧測力計來研究摩擦力的變化情況,如圖甲所示,該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。但實驗中用手拉彈簧,由于手的拉力不是均勻變化的,在拉動木塊時既要保證測力計始終水平又要使木塊勻速直線運動,很難做到,因此實驗現(xiàn)象不明顯,教學(xué)效果甚差。而乙圖中,木板拉動起來后,木塊P達到穩(wěn)定狀態(tài)(相對地面靜止),此時,滑動摩擦力等于彈簧彈力,之后無論木板加速、勻速還是減速運動,都不影響滑動摩擦力大小,所以可以穩(wěn)定地讀取彈簧彈力,且理論上能保證彈力等于滑動摩擦力。  

相對運動趨勢的方向是很難觀察到的。學(xué)生理解起來難免會吃力。如果采用毛刷動手演示,學(xué)生就會一目了然。如圖所示,毛刷放在桌面上,用力拉毛刷,毛刷雖靜止,但毛刷向左彎曲,它表面靜摩擦力的方向是向左的。  

                                                                                     

氣球  

      

中間有  

孔的盤

           和歷史上的“運動需要力來維持”的觀念形成的原因一樣,學(xué)生在早期的日常生活中大量觀察到的停止施力,物體就不再運動的現(xiàn)象,是他們在頭腦中形成前概念的感性基礎(chǔ)。要挑戰(zhàn)學(xué)生的這種有長期個體經(jīng)驗基礎(chǔ)的前概念,就必須通過實驗把物理現(xiàn)象突出到為人們的自然觀察所忽略或達不到的程度,使學(xué)生對個人觀念有所認識和反思。從這個角度考慮,摩擦力的影響是關(guān)鍵,設(shè)計實驗演示物體在盡可能小的摩擦力作用下的運動行為,讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)原有觀念錯誤的原因,應(yīng)該是很有必要的。用氣墊來演示,效果就很好。如圖所示的簡易氣墊更值得推薦,因為  

每個學(xué)生都可以做一個自己去體驗。所需的材料只是  

一個氣球、一個有孔的橡皮塞和一塊泡沫塑料。將泡  

沫塑料加工成圓盤形,在其中間開一個小孔,孔的上  

半段較大,可使橡皮塞剛好塞進孔中;孔的下半段較  

小,以免將氣球內(nèi)的空氣很快放完。實驗時將氣球吹  

足氣,捏住出氣口將氣球套在橡皮塞上,再將橡皮塞塞進泡沫塑料圓盤的孔中,將圓盤放在平滑的桌面上,松開氣球的出氣口,圓盤就會被從下面小孔中噴出的空氣托起,輕輕一推,它就可在桌面上接近勻速地運動。  

3、與振動和波有關(guān)的實驗釋疑  

本文開篇所述的關(guān)于波的“手抖繩”演示實驗,為什么有的老師拉著繩子的一端上下擺動了老半天,卻只見整條繩子在擺動,而不見明顯的波呢?  

      一是:用手抖動軟繩之后,繩傳播的運動狀態(tài)很快消失,不能長久保持繩波傳播的運動狀態(tài)。二是:由于繩波經(jīng)固定端反射回來與原波疊加形成駐波,故演示效果一般不太好。[改進演示]把一條長4m卷動窗簾帶珠子的拉繩拉直放在教室內(nèi)的走道地板上,一位同學(xué)把拉繩的一端緊按在地上不動,教師手握拉繩另一端,在水平方向上,左右抖動拉繩。經(jīng)過上述操作后,在地上可以清晰地看到繩波傳播的運動狀態(tài)。若教師手握拉繩一端,在水平方向上,左右抖動半個周期后停止,清晰的看到半個波長的波形由波源向遠處傳播。若教師手握拉繩一端,在水平方向上,左右抖動一個周期后停止,清晰的看到一個波長的波形由波源向遠處傳播。經(jīng)過改進后,可以實現(xiàn)更多的實驗?zāi)康?,學(xué)生直接參與實驗,互動效果好,且可長久保留波的運動狀態(tài),便于觀察分析,印象深刻。  

      我們都有這樣的經(jīng)驗:用如圖所示的裝置來演示共振,則發(fā)現(xiàn)拉開驅(qū)動擺再釋放后,需要等較長的時間才可看到,擺長與驅(qū)動擺A擺長相同的BC兩個擺振幅最大,擺長與驅(qū)動擺擺長相差最大的DE兩個擺振幅最小的實驗現(xiàn)象。但稍后這種格局即開始變化,使教師不得不趕緊將整個演示停下來。究其原因,首先是因為有關(guān)的擺長很難調(diào)得一致,從而產(chǎn)生“拍”的現(xiàn)象;其次是驅(qū)動擺的驅(qū)動力是通過張緊的掛單擺的繩子傳給其他擺的,而其他擺一有振動也同樣可以通過繩子影響驅(qū)動擺的振動,這樣相互影響,使得問題變得很復(fù)雜;此外掛單擺的繩子的松緊程度影響著能量沿繩子的傳播快慢,適當(dāng)放松張緊的繩子,可以加快能量的傳遞,縮短開始等待的時間。  

但是,其他的問題依然存在。因此,若改用長短不一的細線各栓一個回形針后固定在一支鉛筆上,演示時手握鉛筆的一端微微振動,回形針也隨之?dāng)[動,哪個回形針擺幅最大則由驅(qū)動的頻率決定。這樣演示頗為生動有趣,但缺點是演示時驅(qū)動力的頻率是由演示者把握的,如何能使學(xué)生建立振幅最大的擺的自由振動頻率與驅(qū)動力頻率的聯(lián)系還是個問題,但是這個簡易裝置極其簡易,每個學(xué)生都可以當(dāng)堂自制一個自己親自來體驗什么情況下擺的振幅最大,從中不難發(fā)現(xiàn)出共振的條件。  

4、與熱學(xué)有關(guān)的實驗釋疑  

      觀察布朗運動的實驗,用一臺顯微鏡讓所有的學(xué)生都來觀察,課堂上又沒有更多的時間;用多臺顯微鏡又不可能。所以一般都是老師在黑板上講解實驗現(xiàn)象,課堂教學(xué)效果不理想,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性受到影響。若用激光器觀察布朗運動其演示效果就很好。把1只廢舊白熾燈泡的底座取掉,將內(nèi)部的燈絲取出,用水將內(nèi)外清洗干凈,再在燈泡內(nèi)裝滿純凈的水;打開激光器,激光通過燈泡射在白色墻壁(有屏幕更好)上,此時在墻壁上會出現(xiàn)一個較大的光斑(光斑的顏色與激光器發(fā)出的光的顏色相同)。這是因為玻璃和水的折射率大致相同且又比空氣的大,這樣裝滿水的玻璃燈泡就相當(dāng)一個凸透鏡,它具有擴散光束的作用。將少許淀粉撒入玻璃燈泡中的水里,我們立即就會在墻壁上觀察到在光斑中有很多微小的發(fā)光點在不停地做無規(guī)則運動。這是由于液體分子無規(guī)則運動從各個方向撞擊懸浮在液體中的微小淀粉顆粒,從而引起這些微小顆粒的無規(guī)則運動。這些無規(guī)則運動的微小顆粒經(jīng)過擴散的激光束照射,成為一個個不停地運動的光點而映現(xiàn)在墻壁上,這就是布朗運動。注意淀粉不能撒得太多,撒多了光斑很暗,光點的運動也看不清楚。如果我們將玻璃燈泡里面的水倒去一部分,再加入一些熱水,發(fā)現(xiàn)光點的運動明顯加快了。由此更能使學(xué)生認識到分子運動隨溫度的升高而變得更加激烈。  

      中學(xué)物理教學(xué)中演示固體間分子引力一般采用的是將兩個鉛圓柱塊壓緊在一起后不易拉開的方法。這樣實驗要想令人信服的話,一是最好只用兩手用力擠壓而不要借助工具,因為若是學(xué)生的印象是用兩個鉛塊被壓成一塊了的話,就沒有必要這樣做,隨便找個物體直接一拉不就得了?而且,兩鉛塊壓在一起后,要能抗得住一定的拉力。因為,有學(xué)生可能會認為,兩鉛塊壓在一起后之所以不分開,是由于大氣壓的緣故,類似馬德堡半球。這種懷疑不是沒有道理的,只有通過實驗才能解開他們的疑問。     這樣一來,對實驗的要求就更高了。首先,要將兩鉛塊接觸面的氧化層用玻璃或刀刮去,要注意向同一個方向用力并盡量將兩接觸面刮平,對兩鉛塊施壓時不要采取兩個接觸面對壓的方法,而要按照圖所示的箭頭方向用力推壓,逐漸增大兩鉛塊的接觸面。這樣壓好以后,一般可以承受10N的拉力。而拉開鉛塊后,從其上的印痕可以看出,兩鉛塊壓緊時的接觸面積一般都很小,可以估算出遠遠小于 1cm 2。因此足以說明是分子間的引力在起主要作用。筆者按上述方法處理和壓緊兩鉛塊后,最大曾吊起過半桶約 5kg 的水。這樣就更令人信服了,老師們不妨一試。  

5、與靜電有關(guān)的實驗釋疑  

用摩擦的方法起電,帶電體往往是絕緣體,如何將它所帶的電荷轉(zhuǎn)移到驗電器或其他物體上去呢?人們自然想到使它們相互接觸,如將已起電的有機玻璃棒與驗電器的導(dǎo)電球接觸,使驗電器帶電。但是,做過這個實驗的老師一定會有這       樣的體會,僅僅將棒與導(dǎo)電球接觸往往不易使電荷轉(zhuǎn)移到驗電器上去,特別是在天氣較潮濕時更是如此。而若照如圖所示使棒在導(dǎo)電球上轉(zhuǎn)動摩擦幾下,往往可使驗電器帶上足夠多的電荷。這是什么原因呢?實際上,大家知道,作為絕緣體,它帶電的情況與導(dǎo)體大不一樣,絕緣體所帶的電荷是以束縛電荷的形式出現(xiàn)的,因而不能象導(dǎo)體上所帶的電荷那樣可以自由移動、以傳導(dǎo)的方式實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。試想,如果絕緣體上的電荷可以通過傳導(dǎo)的途徑轉(zhuǎn)移,那么從電荷產(chǎn)生伊始,它不就可以通過我們的持棒之手跑掉了嗎?哪里還談得上轉(zhuǎn)移電荷呢?實際上,帶電的絕緣棒與導(dǎo)體接觸后,導(dǎo)體上所得到的電荷是通過放電的形式轉(zhuǎn)移       而來的,即金屬中的電子在強電場的作用下從金屬表面逸出。導(dǎo)體表面電荷集中的尖端部分最易發(fā)生這種放電現(xiàn)象。如圖所示,在驗電器導(dǎo)電桿上插一表面光滑的薄金屬板,用帶電的有機玻璃棒或者橡膠棒靠在金屬板面上來回移動摩擦數(shù)次后移開棒,發(fā)現(xiàn)驗電器并未帶上電荷,但若將棒靠在金屬邊緣上刮擦一次,即可使驗電器帶上電荷。這正是由于金屬板邊緣電荷集中,電場較強,容易產(chǎn)生放電之故。事實上,在天氣干燥時,只要將帶電棒靠近金屬板邊緣而并不與之接觸,就足以使驗電器帶上凈電荷。若在此過程中細聽,可聽到帶電棒與金屬板邊緣之間有“喳喳”的放電聲,這個實驗是很說明問題的,前述的將帶電棒在驗電球上轉(zhuǎn)動摩擦,其作用也正是促進放電的發(fā)生。  

     綜上所述,通常我們通過接觸可以實現(xiàn)絕緣帶電體上電荷的轉(zhuǎn)移,但其本質(zhì)上不是傳導(dǎo)而是放電。對于這個問題的正確理解,有助于我們把握靜電實驗的成敗關(guān)鍵,提高實驗的成功率。如利用法拉第圓筒演示靜電平衡時電荷只分布在導(dǎo)體外表面的實驗,許多物理老師感到棘手,主要是將驗電球從內(nèi)壁取出后,驗電球上也常常帶有電荷。發(fā)生這種現(xiàn)象的原因大多是,圓筒與驗電球之間產(chǎn)生了放電(圓筒內(nèi)壁若存在尖端部分也會顯著地影響試驗結(jié)果)。在驗電球從圓筒筒口經(jīng)過時,它與筒口邊緣之間,最易發(fā)生放電,從而導(dǎo)致驗電球帶電。為此,可采取適當(dāng)擴大筒口特別是對筒口邊緣進行磨光處理的措施,同時選用合適的驗電球和注意操作,就可以保證實驗的成功。  

6、與恒定電流有關(guān)的實驗釋疑  

正確地選譯擇儀器和電路的問題,有一定的靈活性.解決時應(yīng)掌握和遵循一些基本的原則、即安全性。精確性方便性誤差小、儀器少、耗電少等各方面要綜合考慮.靈活運用.   

      如何選擇滑動變阻器的接法設(shè)計控制電路是教學(xué)中的難點。     

12-3

滑動變阻器的限流接法與分壓接法的特點:如圖所示的兩種電路中,滑動變阻器(最大阻值為R0)對負載RL的電壓、電流強度都起控制調(diào)節(jié)作用,通常把圖(a)電路稱為限流接法,圖(b)電路稱為分壓接法.  

   

   

負載RL上電壓調(diào)節(jié)范圍(忽略電源內(nèi)阻)  

負載RL上電流調(diào)節(jié)范圍(忽略電源內(nèi)阻)  

相同條件下電路消耗的總功率  

限流接法  

    EULE  

    IL       

EIL  

分壓接法  

0ULE  

0IL       

EIL+Iap  

比較  

分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大  

分壓電路調(diào)節(jié)范圍較大  

限流電路能耗較小  

   

限流法.如圖a所示,待測電阻上電壓調(diào)節(jié)范圍為     .顯然,當(dāng)R0<<RL時,在移動滑動觸頭的過程中,電流的變化范圍很小,總電流幾乎不變,UL也幾乎不變,無法讀取數(shù)據(jù);當(dāng)R0>>RL時,滑動觸頭在從ba滑動的過程中,先是電流表、電壓表的示數(shù)變化不大,后來在很小的電阻變化范圍內(nèi),電流表、電壓表的讀數(shù)變化很快,也不方便讀數(shù),只有當(dāng)RLR0差不多大小時,才能對電流、電壓有明顯的調(diào)控作用.在同樣能達到目的的前提下,限流法較為省電,電路連接也較為簡單.  

分壓法.如圖b所示,待測電阻上電壓調(diào)節(jié)范圍為0E,且R0相對于RL越小,R上的電壓變化的線性就越好.當(dāng)R0>>RL時,盡管UL變化范圍仍是0E,但數(shù)據(jù)幾乎沒有可記錄性,因為在這種情況下,滑片從左端滑起,要一直快到右端時,電壓表上示數(shù)一直幾乎為零,然后突然上升到E,對測量幾乎沒有用處.因此,分壓接法要用全阻值較小的滑動變阻器。  

下列情況必須選用分壓式接法  

1)要求回路中某部分電路電流或電壓實現(xiàn)從零開始可連續(xù)調(diào)節(jié)時(如:測定導(dǎo)體的伏安特性、校對改裝后的電表等電路),即大范圍內(nèi)測量時,必須采用分壓接法.  

2)當(dāng)用電器的電阻RL遠大于滑動變阻器的最大值R0時,必須采用分壓接法.因為按圖(b)連接時,因RL>>R0Rap,所以RLRap的并聯(lián)值RRap,而整個電路的總阻值約為R0,那么RL兩端電壓UL=IR=     ·Rap,顯然ULRap,Rap越小,這種線性關(guān)系越好,電表的變化越平穩(wěn)均勻,越便于觀察和操作.  

3)若采用限流接法,電路中實際電壓(或電流)的最小值仍超過RL的額定值時,只能采用分壓接法.  

下列情況可選用限流式接法  

1)測量時對電路中的電流或電壓沒有要求從零開始連續(xù)調(diào)節(jié),只是小范圍內(nèi)測量,且RLR0相差不大或RL略小于R0,采用限流式接法.  

2)電源的放電電流或滑動變阻器的額定電流太小,不能滿足分壓式接法的要求時,采用限流式接法.  

3)沒有很高的要求,僅從安全性和精確性角度分析兩者均可采用時,可考慮安裝簡便和節(jié)能因素優(yōu)先采用限流式接法.  

7、與電磁感應(yīng)有關(guān)的實驗釋疑  

      高中物理課本中有一個驗證楞次定律的演示實驗,但是用學(xué)校的儀器來做,其效果很不好。原因是通過單匝鋁框的磁通量變化較小,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流不大,因此感應(yīng)電流的磁場不強,原磁場與感應(yīng)電流的磁場作用力不大。  

改進方法:用直徑為0.5mm左右的漆包線,繞制兩個匝數(shù)各為50100匝,直徑為8cm左右的圓形線圈,其中一個線圈將線頭上的漆刮掉,把兩個線頭連接起來形成一個閉合線圈;另一個不連接成閉合線圈,將兩個線圈都用透明膠布或細線綁緊。再把楞次定律演示器上兩邊的鋁環(huán)取下,分別換上兩個線圈,如圖所示,這樣演示器就改好了。如果兩邊不平衡,可以在較輕的一邊多綁一些透明膠布或其它物體,直到調(diào)整到平衡后再進行實驗。  

改進后的線圈由1匝增加到n匝,在相同的磁通量的變化情況下,感應(yīng)電動勢由原來的E增加到nE。而由于整個線圈的總電阻也增加到原來的n倍,所以每一匝線圈中的電流強度沒有增加,但是n匝線圈中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場疊加起來,就使總的感應(yīng)磁場大大增強了,從而增大了感應(yīng)磁場與原磁場的相互作用力,因此,實驗效果非常明顯。  

      我們可以用一個簡單的裝置來演示電磁驅(qū)動與電磁阻尼。用磁鐵(最好是釹鐵硼材料的強磁鐵)做一秋千,把一鋁板(或銅版)放在秋千的下面,如圖。首先證明磁鐵和鋁板是不相互吸引的,調(diào)節(jié)擺線的長度,使磁鐵與鋁板間的距離大約在 1cm 左右。  

1)電磁驅(qū)動。水平推動鋁板,使鋁板相對磁鐵發(fā)生靠近或遠離的相對運動,磁鐵秋千也隨之運動。鋁板向右,磁鐵也隨之向右;鋁板向左,磁鐵也隨之向左。  

2)電磁阻尼。讓磁鐵秋千做單擺運動,它將在平衡位置附近持續(xù)運動一段時間后緩慢停下來。把鋁板放在磁鐵秋千的下方,運動的磁鐵很快停下來。  

3)共振。鋁板與磁鐵秋千相對運動時,鋁板對磁鐵秋千施加了一策動力,當(dāng)鋁板推動的頻率與磁鐵秋千的固有頻率相同時,秋千擺動的幅度最大。  

8、與光學(xué)有關(guān)的實驗釋疑  

常規(guī)的光學(xué)演示實驗有兩種做法:第一種是如教材所示用手電筒作為光源在教室演示;第二種是用激光發(fā)生器作為光源在暗室中演示。這兩種方法的弊端很多。其一:手電筒的發(fā)光呈發(fā)散狀,光能較為分散,在演示光發(fā)射和光折射時可視性差,實驗現(xiàn)象不明顯;其二:在暗室中作實驗學(xué)生的管理是個問題,另外暗室中的光線也不利于學(xué)生記筆記。  

光的傳播實驗改進:在暗室里將一束光射到空氣中,觀察光在空氣中的傳播徑跡。存在的問題是不適合在教室演示?!緦嶒灥母倪M】點燃一根蚊香放在空礦泉水瓶口,當(dāng)?shù)V泉水瓶內(nèi)煙霧繚繞時,用激光筆從瓶口讓激光穿過煙霧,一條清晰的直線光路在空氣中就顯現(xiàn)出來了。  

光在水中傳播的實驗改進:在暗室里將一束光射到水中,觀察光在水中的傳播徑跡。存在的問題是不適合在教室演示,且光在水中的傳播路徑不明顯?!緦嶒灥母倪M】在裝滿清水的礦泉水瓶中滴入幾滴牛奶或在水中混入適量肥皂水,使水呈輕微的渾濁狀態(tài),再用氦氖激光等光源射向水中,此時從側(cè)面可以看到一條筆直的光路。  

光在透明固體中傳播的實驗改進:直接用激光筆從側(cè)面對準不含果肉的果凍射去,能清楚的看到在果凍內(nèi)有一條直線光路。  

      凸透鏡成像實驗的改進:該實驗用點燃的蠟燭做發(fā)光體,實驗效果不甚理想,原因是:蠟燭燃燒后,焰心、光心和光屏中心就會不再在同一高度,影響像的位置,且蠟油流到器材和桌面上難清理。【實驗的改進】用多個發(fā)光二極管做成某一字母的形狀,如“F”,作為光源。  

      本文開篇所述的關(guān)于“光電效應(yīng)”演示實驗,為什么效果不好呢?原因是:鋅板被紫外線照射后,雖然從理論上講能使鋅板釋放電子,但在非真空條件下,由于空氣電離在鋅板的周圍形成一層空間電子云,這層電子云嚴重地阻礙了光電子的運動。若用倫琴射線代替紫外線進行該實驗,能夠較成功地演示光電效應(yīng)。因其射線波長是幾十到幾百埃,能使光電子獲得較大的初動能,從而能夠克服電子云的阻礙?,F(xiàn)將此方法介紹如下,如圖所示。將事先用砂紙擦凈不帶電的鋅板固定在驗電器金屬桿上,驗電器指針張角為零。將演示用的倫琴射線管(J2512型)固定在鐵架臺上,并且離鋅板距離為10cm左右。接通電源,倫琴射線照射鋅板,驗電器指針張開較大的角度(約45度左右)。斷開電源,倫琴射線停止照射,驗電器指針張角仍然不變。然后,用跟絲綢摩擦過的有機玻璃棒(帶正電),靠近鋅板,發(fā)現(xiàn)驗電器指針張角變大。這說明鋅板在射線照射下,失去電子而帶正電。用這樣的實驗來說明鋅板發(fā)射光電子的物理過程是比較確切的。能讓學(xué)生清楚地認清了光電效應(yīng)的本質(zhì)特征和規(guī)律。  

三、如何提高解決疑難實驗問題的能力  

從事任何學(xué)習(xí)與研究,只有抓住問題一個一個地、扎扎實實地鉆研下去,才可能掌握到真正屬于自己的知識、練就出獨立解決問題的能力,這里不存在投機取巧的捷徑可走。疑難實驗的學(xué)習(xí)與研究也不例外。但在扎實努力的前提下,如何才能舉一反三、活學(xué)活用,則是我們大家所希望的。為此,要求我們在學(xué)習(xí)和研究的過程中,不僅要針對教學(xué)的需要,一個一個地解決問題、積累知識和經(jīng)驗,而且要善于透過具體的疑難實驗的研究,發(fā)現(xiàn)共同的、規(guī)律性的東西。具體來說,研究疑難實驗,了解和掌握盡可能多的有關(guān)前人研究的資料信息是很有必要的,但一定要特別注重從眾多的表面差別甚大的實驗裝置中發(fā)掘和把握其中蘊含的實驗方法。因為實驗方法是物理實驗的靈魂,深入不到實驗方法的層次就駕馭不了疑難實驗。疑難實驗之所以成為疑難,說到底,就是尚未找到滿意的實驗方法。許多漂亮的實驗方法不僅提供給我們化解疑難實驗所需的知識和技術(shù)竅門,而且更重要的是可以給予我們智慧的啟迪和激勵,使對它敏感、勤于思考的人獲得創(chuàng)造性地解決問題的能力。如,對于光通信,學(xué)生很感興趣但覺得挺神秘。如何用實驗來演示光通信的原理,聽起來似乎不簡單。而用如圖所示的光通訊演示實驗裝置,在手電筒中串聯(lián)一個電感,再將要傳遞的音頻信號通過隔直電容加于電感兩端,原來穩(wěn)定的發(fā)光的小燈泡的亮度就會隨著輸入的音頻信號的變化而變化。這樣就實現(xiàn)了用音頻信號對光的調(diào)制,也就是使電筒射出的光束中包含了要傳遞的信息。因此,若在另一端用光電池接受光束的照射,就可得到與傳遞信號變化       規(guī)律相同的電信號,從而實現(xiàn)了解調(diào)的過程。演示時,從一個信號源發(fā)出的信號,可在另一端的接收機上得到,而傳遞信號的載體卻是光,這樣就突出了實驗的原理,使學(xué)生只需要透過較少而且他們比較熟悉的技術(shù)細節(jié)就可以領(lǐng)悟?qū)嶒灥倪^程及其原理。像這樣的實驗簡單直觀,痛快淋漓,淋漓盡致,不拖泥帶水的實驗方法!簡直是一種智慧的熏陶和享受!  

此外,還有幾個問題在疑難實驗的學(xué)習(xí)和研究中也是需要加以注意的。  

1、必須高度重視對疑難實驗的學(xué)習(xí)和研究。  

由于眾所周知的原因,目前在不少中學(xué),仍存在著不重視實驗的教師仍能受到重視、實驗技能低下的教師也能成為教學(xué)骨干甚至“教學(xué)能手”的不正?,F(xiàn)象,這就誤導(dǎo)了優(yōu)秀教師的標準。因為對中學(xué)物理教師而言,不象大學(xué)教師那樣有專業(yè)方向的分工。雖然,不同的教師都因個人的特長而會形成自己獨特的教學(xué)風(fēng)格。但具有較強的實驗教學(xué)技能和一定的實驗研究能力是對每一個中學(xué)物理教師的基本要求,更不用說對優(yōu)秀教師了,只會憑空口講實驗、用粉筆在黑板上“做實驗”的教師就不是一個真正合格的中學(xué)物理教師,因為這樣的教師在基本的教學(xué)技能上尚未達標。  

2、實驗研究需要教育理論的指導(dǎo)。  

作為教學(xué)的物理實驗,除了要有物理理論的根據(jù)、反映物理思想外,還要符合教學(xué)原則、反映教學(xué)思想。這個問題比較復(fù)雜,不容易三言兩語說明白。但是,有一點是可以非常明確地提出的,那就是通過實驗的教學(xué)應(yīng)用,應(yīng)該有效地促進學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)過程,避免機械學(xué)習(xí)過程。這應(yīng)該成為貫穿整個教學(xué)物理實驗設(shè)計與改進過程始終的教學(xué)思想。所謂的“有意義學(xué)習(xí)過程”,是與“機械學(xué)習(xí)過程”相對應(yīng)的,它的實質(zhì)“就是符號所代表的新知識與學(xué)習(xí)者認知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)知識建立非人為的(非任意的)和實質(zhì)性的(非字面的)聯(lián)系?!边@就要求我們在教學(xué)中,要特別注意將新知識的傳授與學(xué)生已有的概念和理解聯(lián)系起來,在學(xué)生原有認知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計和組織我們的教學(xué)。否則學(xué)生頭腦中充斥的多是些靠模仿和記憶得來的東西。物理教與學(xué)都被降格成在頭腦中發(fā)生的“機械運動”,就只能是徒有智力活動的虛名了。本來,物理實驗在教學(xué)中的地位受到肯定的重要原因之一,就是它具有培養(yǎng)學(xué)生能力的教育功能。但從功能到變?yōu)楝F(xiàn)實之間還需要有精心的實驗設(shè)計和有效的教學(xué)過程。否則,機械學(xué)習(xí)在實驗學(xué)習(xí)的情境下照樣可以大行其道。例如,滑線變阻器是一個中學(xué)物理實驗中最常用的儀器之一,學(xué)生自己使用和看老師使用的次數(shù)應(yīng)該不算少。但即使是在大學(xué)生中,不能正確地自己獨立使用它的人仍不少。因為他們在以往的學(xué)習(xí)中,知識照方抓藥、依葫蘆畫瓢地對著那些實驗講義或練習(xí)冊連線,根本就沒有弄懂這樣一個并不復(fù)雜的儀器的結(jié)構(gòu)、原理和各個部件的功用。這樣的機械學(xué)習(xí)怎么能產(chǎn)生培養(yǎng)能力的效果!  

3、要以科學(xué)的態(tài)度對待疑難實驗的學(xué)習(xí)與研究。  

科學(xué)態(tài)度首先是實事求是的態(tài)度,那種當(dāng)學(xué)生時抄實驗數(shù)據(jù)作弊、作老師時由于自己的無知使實驗失敗卻欺騙學(xué)生是儀器不好的傾向,是阻礙自己提高的最大障礙。此外,在實事求是的前提下,科學(xué)態(tài)度還應(yīng)表現(xiàn)為批判性的態(tài)度。疑難實驗的研究是在不斷發(fā)展的,沒有一成不變的釋疑方法,需要不斷創(chuàng)新。即使一些很出色的解決方法,可能它們保持先進地位的時間要長一些,但也要用批判的眼光去消化、吸收它,囫圇吞棗式的學(xué)習(xí)是難以獲得真知的。要成為一個有創(chuàng)造性的優(yōu)秀教師,真正重要的是要培養(yǎng)自己敏于發(fā)現(xiàn)并抓住問題、勤于分析研究問題和善于解決問題的能力。  

   

只要我們做個有心人,處處留心,就會創(chuàng)意無限!  

   

作業(yè):請您列舉一則在教學(xué)實踐中遇到的疑難實驗,分析其物理過程,剖析產(chǎn)生疑難的主要原因,并說說您的解決方案。(5001000字,有圖)。  

   

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