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例谈高中物理实验的设计与改进

作 者:张贵珍 (山东省日照第一中学 276800)

在物理教学中,如何巧妙的运用一些简单而有趣的实验,有效地创设物理情境,激发学生的学习兴趣,帮助学生理解和巩固知识,开拓思路,物理教师应特别重视的问题,笔者认为,实验的设计应力求直观、简单、现象明显,但在教学实践中发现教材中设计的实验在某些地方存在值得推敲和改进的地方,笔者对一些实验进行了改进,我们在这方面做了一些设计和改进,取得了较好的效果。举例如下和大家交流分享。
一、观察布朗运动
制备观察用的浊液
用极少量深黄广告色稀释在清水中(用热水效果更好),直至能看到稍成混浊状液体,即可使用。花粉效果较好,但不宜取材。用广告粉方便、快捷,效果也非常明显。
制作样片 【图1(a)】

 


将载玻片洗净晾干。然后在载玻片上贴透明胶纸,普通的透明胶纸帖3~4层,胶带压紧。然后用刀片在中间轻轻刮开一个约1×1cm2的方坑,将方坑处理干净。用吸管取少许制备好的浊液滴入载玻片上的方坑内,用盖玻片盖好,溢出的浊液用滤纸吸掉。
观察过程 【图1(b)】

 

 

将制备好的样片放在显微镜载物台上,先用低倍镜找到所要观察的浊液的大体位置,这时会观察到一个非常亮的区域,然后换用高倍镜(16×40倍),轻轻旋动旋钮就很清楚的见到绝大多数微粒都在无规则的蠕动。
本实验我们取材简单,制作方便,效果非常明显。
二、运动电荷在磁场中受洛伦兹力
通常考虑最多的是电子受洛伦兹力的情况,我们试验了如图2所示(俯视)的CuSO4溶液中Cu2+和SO42-在磁场中的受力情况。整个装置是这样设计的:将直径为10cm的培养皿放在直径16cm的培养皿的内部,分别将宽为3.5cm的两铜片在两培养皿的外侧和内侧围成一圈做两电极用。在两培养皿之间倒入CuSO4溶液。为防止内部的培养皿浮起,可在其上放一小重物压住。再将上述装置放入由三个蹄形磁铁产生的磁场中。为增大可见度,将上述装置放在投影仪上,给溶液通电,明显可见溶液在容器中顺时针(或逆时针)旋转,在溶液上放几片小纸屑,更有利于观察。
三、泊松亮斑
泊松亮斑的发现是物理学史上的一著名事件。课本上只一提而过,不做演示,学生因此缺少对光遇障碍物能发生衍射的直观认识。我们的做法是:取一长约10cm、宽约5cm的硬纸片,在纸片上剪一个盖玻片大小的方洞,然后将橡皮泥团成小球,再将小球压成圆片,为能完整地说明问题,圆片可做大、中、小三个,使它们的直径分别为1mm、3mm、5mm左右。将圆片分别装在盖玻片上;再将纸卡用光屏夹夹住,调整激光器和焦距为10~30cm的扩束凹透镜,使射出的光投于教室墙壁上,课堂上可分三步进行演示:
1.将激光对准小圆片,使小圆片处于激光中心,小圆片没有阴影;改变物屏至墙的距离,中间恒为亮点。此即光的圆片衍射图样,与小孔衍射图样相似,如图3(a)所示。
2.用激光照射约3mm的小圆片,可见圆片的阴影增大,边缘也有几圈稍模糊的明暗相间的圆环,但中间恒为亮点。此即著名的泊松亮斑。与课本彩图一致。如图3(b)所示。
3.用激光照射约5mm的小圆片,因大部分光被圆片挡住,所以在墙上只能看到不太明亮的大圆环,这与光的直线传播规律相符。
通过以上演示,有力的说明了光遇障碍物也能发生衍射,且障碍物越小,衍射越明显,光的直线传播为波动光学的特例。
四、查理定律的演示
查理定律是一个实验规律,做好演示实验至关重要。现有演示查理定律的实验仪器,均是通过测出一定量的气体在零上各温度下的压强值,从而得出用热力学温度表示的查理定律表达式: P1 / P2=T1 / T2,即得出变形后的查理定律表达式。用课本上的方法进行实验如图4所示可以得出冰水混合物时的温度,从而得出查理定律的原始式:Pt=Po(1+t/273),或(Pt-Po)/t=Po/273.但有一个问题需要解决,就是盛烧瓶的容器,必须有良好的绝热性能,否则气体的温度就很难稳定,从而使实验结果误差较大。我们试验了一个简易的方法,较好地解决了这个问题。介绍如下:
1.器材准备:a.圆底烧瓶一个,用弯曲的玻璃管通过橡皮塞,将烧瓶和水银压强计连接。b.广口保温瓶一只,并将保温瓶上盖打两个小孔,一个能恰好通过烧瓶塞上的玻璃管,一个能插入温度计。c.冰、冰水、热水。
2.实验步骤:a.先将仪器按图示连接好,使压强计中的水银面固定在一个合适的位置上,再塞上瓶塞,(瓶塞要塞紧)记下此时的温度t1和大气压强P1。b.将保温瓶中放入适量的冰水混合物,让烧瓶完全浸入冰水混合物中,待温度计中的刻度不再下降时,调整压强计左管中的水银面,使其恢复到原位置,记下此时气体压强P0和温度t0.
3.将热水倒入保温瓶中,待瓶中温度不再变化时,调整压强计左管中的水银面恢复到原来位置,记下此时的压强P2和温度t2.
4.改变水的温度可以再做几次,通过实验数据可以看出,在实验误差范围内有:Pt=Po(1+t/273),或(Pt-Po)/t=Po/273.其中P0为气体在0℃时的压强,Pt为t℃时的压强。
五、气体压强产生的模拟实验:
由于学生认为气体分子很小,因此气体压强的产生是学生比较难理解的。做好这个模拟实验能给学生直观感受,对气体压强的微观意义的理解显得尤其重要。课本上的实验不能把气体压强产生的相关因素比较直观的表达出来,可操作性也不强,因此我们对这个实验进行了如下改进:
1.实验室用高精度电子天平(如图5)
由于称重平台太大且带有凹槽,小钢珠掉落到平台上容易滞留,从而影响读数。我们做了如下处理:将电子天平称重平台拿掉(如图6),用挖孔的塑料片将槽口盖住(如图7),然后将剪成直径大约12cm的圆形塑料板粘到电子天平的底座支架上,插到电子天平上(如图8),这样既可以避免因为盘面太小使漏下来的铁砂落不到盘面上,又可以避免铁砂落到盘面上出现滞留从而影响读数,经过重新调零后就可以使用了。
2.对倾倒工具的改进
课本中利用容器直接倾倒豌豆的方式,既不利于实验条件的控制(如流量、高度等),也不利于实验数据的采集,当然也就不能很好的得出实验结论。
我们刚开始利用铁架台固定矿泉水塑料瓶,利用切口中插塑料片来控制流量。但是矿泉水瓶口普遍偏大,铁砂流出时间太短,流出的铁砂太过于分散,很多落不到电子天平的盘面上,不便于实验操控。我们利用塑料漏斗来代替塑料瓶,收到良好的实验效果。具体操作如下:将上口直径为16cm的漏斗的出口利用锯条切成口径为1.5cm,然后横向切入大约一半深度的窄缝,插入塑料片以便控制流量(如图9)。然后将漏斗固定到铁架台,电子天平放入方形(便于向外倾倒铁砂)深盆(防止铁砂迸出)中,就可以接通电源,开始实验了。
以上只是我们在实验教学过程中众多实验设计和改进中的几个例子。由于受实验条件的限制,很多实验是需要进行重新设计和变通的。如果没有实验的支持,物理学将变得多么枯燥乏味,正是实验使物理学变得更加生动和精彩!