陳士元

江蘇省南京市高淳縣第二中學(xué) 江蘇南京 211300

探究性物理實(shí)驗(yàn)舉例

陳士元

江蘇省南京市高淳縣第二中學(xué) 江蘇南京 211300

探究性實(shí)驗(yàn)是一種新型實(shí)驗(yàn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)造性思維。筆者在本文中介紹了4個(gè)探究性物理實(shí)驗(yàn)，與廣大一線物理教師共享。

物理實(shí)驗(yàn) 探究性 高中

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中占有很重要的地位。隨著中學(xué)物理教學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，探究性實(shí)驗(yàn)的作用越來越為人們所認(rèn)識(shí)。探究性實(shí)驗(yàn)作為一種近年來嶄露頭角的新型實(shí)驗(yàn)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、訓(xùn)練動(dòng)手操作能力，特別是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力方面發(fā)揮著很好的作用，它是學(xué)生理解科學(xué)探究的重要途徑。

一、電熱器產(chǎn)生熱量定性比較實(shí)驗(yàn)探究

蘇科版九年級(jí)物理下冊(cè)14頁第4題對(duì)于電熱器產(chǎn)生熱量的多少，我們可以進(jìn)行定性比較：將火柴棒插入電阻圈中，火柴先被點(diǎn)燃的電阻圈溫度升高得多，產(chǎn)生的熱量也就比較多。筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，火柴能夠因電阻圈通電后發(fā)熱而被點(diǎn)燃，但時(shí)間先后并不明顯。究其原因有二：一是同一盒火柴中每根火柴之間存在微小差異，如火柴頭藥量的多少、干燥程度等；二是電阻圈通電后發(fā)熱的差異，就2個(gè)電阻圈而言，電阻值不同，在串聯(lián)電路中發(fā)熱量當(dāng)然不同。問題是火柴頭是被二圈電阻絲夾著，只有火柴頭附近的幾圈電阻絲發(fā)熱對(duì)火柴影響較大，而幾圈電阻絲之間的阻值差異很小，特別是阻值差別主要是由電阻圈長度引起的。

改進(jìn)：采用編號(hào)為J2371的焦耳定律演示器，其實(shí)驗(yàn)原理是將密閉容器內(nèi)的電阻絲通電，電阻絲放出熱量使密閉容器內(nèi)的空氣吸熱后體積增加、壓強(qiáng)增大，從而推動(dòng)U形管中的指示液面上升。液面上升高度的大小反映了電流通過電阻絲做功產(chǎn)生熱量的多少。

二、磁性材料“居里點(diǎn)”定性探究實(shí)驗(yàn)

高中學(xué)生在磁場章節(jié)磁性材料中學(xué)習(xí)了磁性物質(zhì)的“居里點(diǎn)”,任何物質(zhì)在磁場的作用下都能或多或少地被磁化,只是被磁化程度不同。像鐵那樣能夠被強(qiáng)烈磁化的物質(zhì)叫鐵磁性材料。磁化后的鐵磁性物質(zhì),它們的磁性并不因外磁場消失而完全消失,仍然剩余一部分磁性。鐵磁性物按剩余磁性的情形分為兩種,一種如碳鋼、鎢鋼、鋁、鎳和鈷的合金等,它們的剩余磁性較強(qiáng)而且不易消失,能夠保留較強(qiáng)的磁性,這種材料叫做硬磁性(又稱永磁材料),另一種如軟鐵、硅鋼和鎳鐵合金,它們的剩余磁性較弱而且容易消失,這種材料叫做軟磁性材料。實(shí)驗(yàn)指出,當(dāng)溫度到達(dá)一定程度時(shí),硬磁性材料將消失而成為軟磁性材料,這一溫度叫“居里點(diǎn)”。電飯鍋中使用的是“居里點(diǎn)”為105℃左右的稀土磁性材料。

1.實(shí)驗(yàn)探究

(1)實(shí)驗(yàn)器材：酒精燈、火柴、鐵架臺(tái)、2塊磁性材料（從電飯鍋磁缸中獲得）。

(2)探究步驟：

①在常溫下，2塊磁性材料相互吸引，將一塊吊起，另一塊因磁性的吸引而吸附在下面。

②點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)這2塊磁性材料加熱，磁性材料受熱溫度升高。

③猜想：溫度升高后磁性材料可能因?yàn)槿埸c(diǎn)低發(fā)生熔化，可能不發(fā)生變化仍保持相互吸引，也可能因溫度升高失去磁性而相互分開。

④實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：磁性材料失去磁性而相互分開，再相互接觸不再相互吸引。

⑤如果讓磁性材料冷卻，溫度降低后會(huì)怎樣？

⑥猜想：磁性材料失去了磁性，不能再恢復(fù)了。也可能磁性材料又恢復(fù)了磁性。

⑦實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：磁性材料冷卻后恢復(fù)了磁性而相互吸引。

⑧討論：磁性材料溫度升高后失去磁性，降低后又恢復(fù)磁性這一特性有什么用處？

本實(shí)驗(yàn)中如果要定量地測定發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度又該如何設(shè)計(jì)？

2.實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)中的磁性材料取之于生活中常用的家用電器—電飯鍋，貼近生活，能激發(fā)學(xué)生的濃厚興趣。所用的知識(shí)來源于高二物理中電磁學(xué)章節(jié)。將書本知識(shí)和實(shí)際生活相結(jié)合是一個(gè)很好的范例。

本實(shí)驗(yàn)采用探究的方式，步步推進(jìn)，層層猜想，有利于激發(fā)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)物理的熱情，與當(dāng)前的教學(xué)改革是相吻合的。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)對(duì)磁性材料“居里點(diǎn)”作了定性探究后，又提出了如何進(jìn)行定量測定的問題，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的探究激情。

三、有關(guān)電容性質(zhì)的兩個(gè)探險(xiǎn)究性實(shí)驗(yàn)

高中物理課本中有2處涉及電容，電容的性質(zhì)：電容能夠充放電；電容能夠通交流阻直流。

1.電容與閃光燈

(1)原理：電容具有儲(chǔ)存電荷的能力，根據(jù)需要可以進(jìn)行充放電。

(2)實(shí)驗(yàn)器材：電容、閃光燈、導(dǎo)線、電源、單刀雙擲電鍵。

(3)實(shí)驗(yàn)步驟：

①將電容、閃光燈、導(dǎo)線、電源和單刀雙擲電鍵連接好。

②合上單刀雙擲電鍵給電容充電。

③將單刀雙擲合向另一側(cè)，閃光燈閃光。

④重復(fù)②、③閃光燈再次閃光。

2.電容與電風(fēng)扇的正反轉(zhuǎn)

(1)原理：電容具有通交流阻直流的能力，小功率三相電機(jī)接入二相線路時(shí)通常有一相是通過串聯(lián)一個(gè)電容后再接入電路，電容與哪一相串聯(lián)決定了電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，比如日常生活中的電扇、衛(wèi)生間里浴霸中的吹風(fēng)機(jī)等如果電容串聯(lián)接錯(cuò)了繞組則不能正常工作。

(2)實(shí)驗(yàn)器材：電容、電風(fēng)扇、導(dǎo)線和電源。

(3)實(shí)驗(yàn)步驟：

①將電容、電風(fēng)扇、導(dǎo)線和電源連接好。

②接通電源，電風(fēng)扇正常工作。

③斷開電源，改變電容的連接。

④接通電源，電風(fēng)扇反向工作（可用懸掛的紙條顯示風(fēng)向）。

四、“驗(yàn)證電磁波的存在”實(shí)驗(yàn)探究

1.問題的由來

蘇科版初中物理九年級(jí)下冊(cè)67頁有一個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)“驗(yàn)證電磁波的存在”?；顒?dòng)步驟是：(1)打開收音機(jī)的開關(guān)，將旋鈕調(diào)至沒有電臺(tái)的位置，并將音量開大。(2)取一節(jié)舊的干電池和一根導(dǎo)線，靠近收音機(jī)，將導(dǎo)線的一端與電池的一極相連，再用導(dǎo)線的另一端與電池的另一極時(shí)斷時(shí)續(xù)地接觸。(3)你從收音機(jī)里聽到了什么？這是為什么？活動(dòng)結(jié)果是從收音機(jī)里發(fā)出了“卡啦”聲，從而驗(yàn)證了時(shí)斷時(shí)續(xù)接觸時(shí)產(chǎn)生了電磁波。

本實(shí)驗(yàn)器材簡單、操作容易在教學(xué)中深受師生喜愛。但筆者產(chǎn)生了以下幾個(gè)驅(qū)動(dòng)性問題：(1)干電池短路、斷路交替產(chǎn)生電磁波有何理論上的依據(jù)？(2)為什么收音機(jī)在SW、MW波段任一位置都能聽到而在FM波段聽不到“卡啦”聲？(3)本實(shí)驗(yàn)還可以作哪些改進(jìn)？

2.實(shí)驗(yàn)原理探究

電磁振蕩可以產(chǎn)生電磁波，物理學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁場理論。如果在空間某處發(fā)生了變化的電場，就會(huì)在空間引起變化的磁場，這個(gè)變化的電場和磁場又會(huì)在較遠(yuǎn)的空間引起新的變化的電場和磁場。電磁場這樣由近及遠(yuǎn)向周圍空間傳播形成電磁波。要向外發(fā)射電磁波，振蕩電路必須具有如下的特點(diǎn)：(1)要有足夠高的振蕩頻率。頻率越高，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)越大。(2)振蕩電路的電場和磁場必須分散到盡可能大的空間，才能有效地把電磁場的能量傳播出去。普通的電容器和線圈組成的振蕩電路，實(shí)際上不能用來發(fā)射電磁波。為了把電磁波發(fā)射出去，就要改造振蕩電路，增大電容器極板間的距離，減少自感線圈的匝數(shù)，以便減少L、C的值，增大振蕩頻率，并使電場和磁場擴(kuò)展到外部空間。這樣的振蕩電路叫做開放電路。

干電池短路、斷路交替顯然不是高中物理上所說的典型的振蕩電路，假定干電池短路、斷路交替類似于電動(dòng)力學(xué)中的赫茲振子，即由兩個(gè)金屬小球K和K’構(gòu)成，小球用導(dǎo)線L聯(lián)接，當(dāng)兩球分別充以等量異性電荷時(shí)，就會(huì)發(fā)出放電現(xiàn)象，由于電阻很小，所以這種放電是屬于振蕩性的。振蕩放電實(shí)際上是電荷在導(dǎo)線中作加速運(yùn)動(dòng)形成的，因此在它的周圍空間里激發(fā)起變化的電聲，輻射出一列連續(xù)的電磁波。那么這樣的電磁波是單一頻率還是多種頻率混合？頻率的大小與哪些因素有關(guān)？為什么收音機(jī)在SW、MW波段中的任一位置都能聽到？

假定干電池短路、斷路交替產(chǎn)生的是一個(gè)電脈沖干擾信號(hào)，持續(xù)時(shí)間短、干擾的強(qiáng)度大，事實(shí)上，做實(shí)驗(yàn)時(shí)就可以看到微弱的電火花。這種干擾信號(hào)在收音機(jī)中產(chǎn)生了“卡啦”聲。

收音機(jī)的廣播制式可分為兩種,一是調(diào)幅廣播,用聲頻調(diào)制載波的振幅,振幅隨聲頻信號(hào)變化,載波頻率不變。調(diào)幅波受到干擾調(diào)幅,在收音機(jī)中很難除去。因而,調(diào)幅收音抗干擾能力差。二是調(diào)頻廣播,采用載波頻率隨調(diào)制聲頻信號(hào)變化而幅度不變的調(diào)頻方式。調(diào)頻收音機(jī)中設(shè)有限幅器,可以將受到干擾信號(hào)調(diào)幅的調(diào)頻波一下切齊,從而消除干擾,使得調(diào)頻收音機(jī)抗干擾能力強(qiáng)。正是這個(gè)原因,收音機(jī)在SW、MW波段能聽到而在FM波段聽不到“卡啦”聲。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,干電池短路、斷路交替產(chǎn)生的是一個(gè)電脈沖干擾信號(hào)而不是一列完整的電磁波。

3.實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

將實(shí)驗(yàn)活動(dòng)改用電視遙控器來發(fā)射電磁波，收音機(jī)來驗(yàn)證電磁波的存在。電視機(jī)遙控器發(fā)出的電磁波頻率是465KHz，將遙控器對(duì)著接收頻率為465KHz的收音機(jī)，打開收音機(jī)會(huì)產(chǎn)生“嘟嘟”聲。經(jīng)過改進(jìn)后，從實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的原理上說更為科學(xué)，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的效果也比較明顯。

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2010-05-13

陳士元，本科，教育碩士，中教高級(jí)。