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第12章 物理实验教学的方法及模式(6)

组织学生实验,得出正确规律

课堂上,学生两人一组。对实验仪器,要求每个学生明确其作用:螺线管——当穿过它的磁通量发生变化时,闭合的螺线管上就有感生电流产生;条形磁铁——将其插入或抽出螺线管可使通过螺线管的磁通量发生改变;灵敏电流计——判断感生电流的有无及其方向;一节小干电池——帮助学生辨别电流计指针偏转与输入电流方向之间的关系;若干根导线——用于把螺线管、电流计组成闭合电路。

学生实验过程:

①连接好电路。每个学生按螺线管实际绕线方向,画好如图2所示的四个实验电路图(图中螺线管的绕线方向一定要正确,不然实验就做不准确):

②按电路图要求,在螺线管内插入或抽出磁铁,根据电流计指针偏转来判定感生电流方向,并在电路图中的螺线管上标出感生电流的方向。

③应用右手螺旋定则判断出感生电流产生的磁场方向,并在图中通电螺线管两端标出磁极。

④各组对照实验和图示,发表议论,分析其中存在的规律:当磁铁插入时,相邻端出现了同性磁极,磁铁抽出时,则出现了异性磁极。这时,学生高兴得似乎已完全掌握了要研究的问题,这是片面的。当我提出在演示电磁感应现象时接通或断开原线圈上电流的瞬间,副线圈上也有感生电流产生,他们不知如何回答。

阅读教材内容,理解楞次定律

物理教材中对楞次定律是这样叙述的:感生电流的磁场阻碍引起感生电流的磁通量的变化。一个“阻碍”,一个“变化”,就是学生能否理解楞次定律的关键。这需要教师结合实验讲解,帮助学生理解掌握。

教师重点讲解,突破问题关键

选用了一个组的两个实验图,板书在黑板上,进行分析讲解(如图3所示),作为解决这个问题的突破口。

用实线表示原磁场——激发感生电流的磁场的磁力线的方向,用虚线表示感生电流磁场的方向。要求学生把着眼点放在螺线管内,分析原磁场方向与感生电流磁场方向有何区别。经过师生一道研究讨论,使他们明白其中的道理:当原磁场在闭合电路中的磁通量增强时,感生电流的磁场方向与之相反;反之,则相同。这样学生对“阻碍”这一关键词就不会单纯理解为与原磁场“相反”了。这把学生的理解能力、知识水平提高到了一个新的层次。

精选例题训练,归纳解题规律

在学生理解楞次定律的基础上,需要进一步把知识引深扩大,把知识转化为学生的能力,这就需要安排一定数量的练习。通过一些由简到繁,由特殊到一般的训练,学生从中巩固所学知识,启迪智力,培养能力。

物理教学中的比较实验及其应用

众所周知,实验可按不同的属性进行分类,本文所指的比较实验,也称对比性实验或对照实验,是从方法论的角度划分的。这种实验方法,不仅在社会科学和自然科学中得到广泛的应用,而且在物理学的发展及其在物理教学中更有其独特的作用。重视比较实验的研究,并在物理教学中付之于实践,这既能提高学生的逻辑思维能力和实验能力,也能对学生进行科学方法的训练。

比较实验及其特点

所谓比较实验,是根据一定的实验目的,通过某种实验方法,从两个或两个以上有相互联系的实验对象中观察到的现象、数据出发,经过比较,确定实验对象之间差异点和共同点,从而把实验对象的某一本质特征抽象出来的一种逻辑的实验方法。浙江省慈溪市横河中学徐志长老师总结它有以下两个特点:

(1)实验对象的多元性与关联性

比较是在两个或两个以上有相互联系的事物中进行的,所以在比较实验中实验对象就必然出现多元性。在一般情况下,实验对象为两个,其中一个是“对照”体,作为比较的标准,另一个是“试验”体。对两个实验对象中的某一个(或两个)采取处理措施,而后观察、比较实验现象或实验数据的变化,从而得出所要比较的某一特性,但也有互为“对照”的情况。

比较实验最终获得的结果,是通过比较这一逻辑方法得到的。任何比较都是在一定的关系之上,根据一定的标准进行的,没有标准就无法进行比较,否则就会出现风马牛不相及的逻辑错误。所以比较实验中的多个实验对象必须具有某一方面或几方面的相互关联性,这样才能有一个比较的标准,使之合乎逻辑。

(2)实验过程的同时性与前后性

比较实验中的实验过程,可以是对不同的实验对象在同一时间内同时进行,即同时性;也可以是在不同的时间内先后进行,即前后性。前者可以突出不同实验对象在同一时刻中出现的不同的变化现象,从而进行空间上的横向比较;后者可以突出实验对象在不同时刻中出现的变化现象,从而进行时间上的纵向比较。需要说明的是,这两种实验过程并不是截然分开的,有时往往是两者结合起来使用的。

比较实验在中学物理教学中的应用

在比较实验中,通过对两个或两个以上有相互联系的实验对象中观察到的现象或测得的数据的比较,往往很容易地在表面上差异极大的实验对象之间看出它们在本质上的共同点,或者在表面上极为相似的实验对象之间看出它们在本质上的差异点。正是由于比较实验有这一特性,所以它在物理教学中得到了广泛的应用。

(1)建立物理概念

中学物理中许多概念的建立,往往需要以一定的实验事实作为基础,通过对实验现象、数据的分析、比较,抽象出实验对象的某一本质特征才能形成。因此,抽象出实验对象的某一本质特征是建立物理概念的关键,而比较实验恰恰能很好地完成这一任务。

例如,比热概念的建立,要得到“质量相等的不同物质升高相同的温度吸收的热量不相等”这一物质的性质,应该说是有一定的难度。但是,通过用两个同样的烧杯,分别装上质量和温度都相同的水和煤油,用同样的加热装置给它们加热(使在相同的时间内水和煤油吸收的热量相等)的这一比较实验,只要比较在相同的时间里水和煤油的温度升高不同这一实验现象,就很容易推理出这一物质的性质了。

又如,电容器的电容是一个比较抽象的概念,为了得出“同一电容器所带电量跟两极间的电势差的比值是一个恒量,不同的电容器这个比值一般不同”这一特性,如果用两个盛水的直筒容器进行机械的类比,实践表明,效果并不理想。若用同一个电容器,以不同的电压来充电,放电时电流表指针偏转角度不同这一比较实验,可以得出电容器所带电量随两极间的电势差的增加而增加。这时,教师可进一步指出:电量跟电势差成正比,其比值是一个恒量。

为了说明不同容器这一比值一般不同,可用图1所示的比较实验来说明。

从实验中可观察到c1、c2用相同的电压充电后,放电时A1、A2指针偏转的角度不同,从而说明:不同的电容器,其所带电量跟两极间电势差的比值一般不同这一特性。

(2)导出物理规律

中学物理学中物理规律的导出,在很大程度上依赖于实验,通过对实验现象或测得的数据的分析比较,找出其规律。而比较实验往往是寻找物理规律的一种有效方法。

例如,教材中焦耳定律的导出,是用比较实验导出物理规律的一个典型的例子。在两个相同的瓶子里装满煤油,各放一根电阻丝,两瓶中电阻丝的电阻值大小不同。如果有电流通过电阻丝,电流产生的热量就使煤油温度升高,体积膨胀,在玻璃管内上升。在同样时间里电流产生的热量越多,煤油在玻璃管内上升得越高。改变实验条件,注意观察玻璃管内煤油上升的情况,就可以比较电流通过这两根电阻丝产生的热量,从而得出电流产生的热量跟导体的电阻、电流强度、通电时间的关系,即焦耳定律。

又如,牛顿第二定律也是在比较实验的基础上导出的。其实验装置如图2。

当小车质量相等、拉力不同时,比较小车通过的位移,可在实验误差范围内得出结论:对质量相同的物体来说,物体的加速度跟作用在它上面的力成正比。当小车的质量不等,而受到的拉力相同时,再比较小车通过的位移,在实验误差范围内又可得出另一结论:在相同的力的作用下,加速度跟质量成反比。综合上述结论,就可得出牛顿第二定律了。

(3)纠正错误观点

比较实验不仅能得出正确的理论,而且可以用来反驳错误的理论。

例如,两千多年前古希腊哲学家亚里士多德根据人们的传统观念提出,必须有力作用在物体上,物体才能运动,没有力的作用,物体就要静止下来。这一错误观点一直得到人们的公认,直到十七世纪才被伽利略的斜面实验所推翻。在初中教材中,为了理解伽利略的研究意图,让同一小车在同一高度滑下来,比较在三种(毛巾、棉布、木板)不同的表现上通过的距离不同这一比较实验来说明的。这一比较实验有力地证明了亚里士多德的观点是错误的,又为导出牛顿第一定律扫除了思维障碍。

又如,16世纪以前的许多学者认为,物体下落的快慢是由它们所受的重力决定的,物体越重下落得越快。其实这人结论是错误的。如果通过分别比较金属羽毛在毛管中有空气时与抽去空气时下落的快慢(有空气时不同,抽去空气时相同),就用无可辩驳的事实说明了这个结论是错误的。

(4)验证结论的正确性

一些从日常生活中得出的或从理论推导出来的物理结论的正确与否,需要通过实践(在物理教学中一般用实验)来检验。比较实验是验证物理结论的正确与否的一种有力工具。

例如,对不同颜色的物体吸收太阳辐射的本领不同这一日常生活中得出的结论,可利用观察气体热膨胀的实验装置。其中一只烧瓶的一侧涂成黑色,另一同样烧瓶的一侧涂成白色。当太阳光照射涂色的一侧时,通过比较就可发现玻璃管里的带色小水柱,涂黑色的移动距离大,这就说明了黑色表面的物体对太阳辐射的吸收本领比白色表现的物体强。

又如,要验证液体蒸发时温度降低这一结论的正确性,可用两支温度计。用棉花把一支温度计的泡包上,并用温度跟室温相同的酒精把棉花浸湿,这时棉花上的酒精在蒸发。我们就可以看到带着湿棉花的温度计表示的温度比另一支不包棉花的温度计的低,这就用比较实验验证了这一结论的正确性。

(5)帮助问题的解决

有些物理问题,如果直接用理论来解释,往往比较困难,学生也不容易接受,但如果先观察比较实验中的现象,再进行理论解释就容易得多。

例如,小灯泡两端并联一只电键,当电键断开与闭合时,将分别出现怎样的现象?对这一短路问题,单从理论上解释,实践表明,学生的思维障碍较大,如果先做这一比较实验,然后再从理论解释,学生就会深信无疑。

又如,凸透镜成像中有这样一个常见问题:一凸透镜对某一物体能成一个完整的实像,如果将凸透镜的一半用黑纸遮住,则所成像有何变化?同样可先用比较实验(黑纸遮与不遮比较所成像的情况)得出结果,再用理论来解释,则能收到事半功倍的效果。

综上所述,比较实验作为一种逻辑的实验方法,在物理教学中有着广泛的应用。但是比较实验又有其局限性。在比较实验中,所比较的只是实验对象的一个方面或几个方面来相比,而暂时地和有条件地撇开其他方面,因此,对于有些比较实验中所得到的结果。我们不能把它绝对化和凝固化。

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