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演示实验要求现象明显直观,但许多情况下直接演示并不能达到这个要求。笔者通过分析大量演示实验,总结出增强演示实验效果的常用方法。应用这些方法,可改进课堂中的演示实验。
1.应用模型法,将太大、太小、太复杂的物理对象化为适合课堂演示的模型
模型是用放大或缩小了的、相似的能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象。具体应用如下:
过于庞大的对象:如潜水艇,可用饮料瓶、配重铁块和橡胶管组成潜水艇模型。将模型放于水槽中,通过橡胶管对饮料瓶充放气,演示潜水艇的浮沉过程。
过于微小的对象:如游标卡尺,可用木板做放大的模型,在课堂上演示。
过于复杂的对象:如交流电动机,拿一个真实的电动机给学生演示,学生很难对电动机的工作原理获得感性认识。这时可以将装饮料的易拉罐侧面开几个口做成线框,把易拉罐插在带尖的铁丝上,在其上方旋转蹄型磁铁来演示交流电动机工作原理。
2.应用模拟法,将难以观察的物理过程直观演示出来
模拟是用与实际物理对象遵循相同或相似规律的物体来代替实际物理对象,而替代物与实际物理对象在物理实质上并无共同之处。
如气体压强的微观解释,可以用大量连续不断掉落在台秤上的沙粒来模拟。改变下落沙粒的密度和速度,来演示气体密度和平均动能对压强大小的影响。
再如α散射实验,可以用小球撞向圆锥体来演示。
再如链式反应,可以用火柴梗浸过煤油晾干的火柴来模拟链式反应,将火柴梗排列成链式图形,点燃链式图形起始端的火柴梗,可观察到持续不断和越燃越激烈的现象。
3.应用放大法,将物理量的微小变化放大为可观察量
累积放大:如傅科摆,单次摆动偏转角度很小,可让摆长时间摆动,使得偏转角逐渐积累到可观察的程度。
力学放大:一是杠杆放大,如金属的热胀冷缩和金属丝在拉力作用下伸长,如图1、图2。二是连通放大,如液体分子间存在间隙和玻璃瓶微小形变演示,如图3。
光放大:如演示桌面微小形变,卡文迪许扭秤,如图4、图5。
电学放大:用传感器将各种物理量转化为电学量,再用集成运算放大器放大后接到显示装置上进行演示。
4.应用比较法
比较是人们认识事物常用的方法,是依据一定的标准,将彼此有某种联系的事物进行对比,通过事物相同或相异特性的比较,揭示事物的本质和区别。运用比较法,可帮助学生接受新概念,加深对概念的理解。
如演示物体动能与速度、质量的关系中,同时释放处于斜面同一高度的铁柱和铝柱,可看到铁柱和铝柱同时滚到斜面底端,说明铁柱和铝柱滚到斜面底端时具有相同的速度。再让铁柱和铝柱碰撞同样的木块,可看到被铁柱碰撞的木块滑动距离长,说明在速度相同时质量大物体的动能大。
再如演示不同颜色物体的吸热本领时,可取两个烧瓶,其中一个贴上黑纸,再在两烧瓶中间点一盏灯,可看到黑色烧瓶玻璃管中液柱上升较快,说明黑色物体吸热本领比白色物体吸热本领大。
5.应用转动法,将弱力的作用效果显示出来
弱的作用力较难推动物体平动,但可以使处于转动平衡的物体转动起来。利用这种方法,可以将弱的作用力演示出来。
如反冲作用,可以在饮料瓶上斜着扎些孔,再用细绳吊起来,向瓶里加水,水从瓶中流出时推动瓶子旋转,从而演示反冲作用。
再如静电力,可以将带电的玻璃棒从中间悬挂起来,用另一根带电玻璃棒靠近,通过悬挂着的玻璃棒的旋转,演示静电力。
6.应用天平失衡法,将弱的作用演示出来
对于灵敏的天平,当两端所挂物体质量或作用力稍有不同时,天平就会失衡。利用这个特点,可演示弱微弱的质量或作用力的变化。
如空气气体质量,可以在天平上一边挂充满气的篮球,一边挂砝码,调节天平平衡。然后逐渐放掉篮球中的空气,可以看到天平逐渐向砝码这一侧倾斜,说明篮球中的气体质量逐渐减少。
再如安培力,可以在天平一边挂线框,一边挂砝码,调节天平平衡。在线框下放置磁铁,然后给线框通电,通过天平的倾斜演示安培力。
7.应用实物显示法,将抽象的概念直观化
如摩擦力,摩擦力方向的判断是物理教学中的一大难点。可以用两边都有较长软毛的刷子演示。如图6、图7。
再如在对流的液体中加入小纸屑,用纸屑的运动演示液体的流动方向。
8.应用投影法
(1)暗影投影。暗影投影是利用光线经过物体后,由物体本身对光线的吸收或折射,在物体后的屏上得到暗的或照度不均匀的影子,以供观察。暗影投影在屏上得到的是物体的影,而不是像。
例如验电器金箔张角的暗影投影,为了使学生从不同角度观察的验电器金箔张角有同一大小,可采用如图8所示装置进行暗影投影,在毛玻璃上看到验电器金箔张角的影子。
(2)成像投影。成像投影是利用由物体发出的或反射的光线,经过透镜折射后,成一清晰的放大的实像于屏上,以供观察。专用的成像投影器有幻灯机和投影仪等,一方面可以利用它们进行幻灯片、投影片的放大放映,另一方面可以利用它们来呈现物理实验的现象,增强演示效果。
例如,将透明玻璃水波盘放在书写投影仪上,可把水波的传播、干涉、衍射等现象投影到银幕上观察。把磁力线演示仪放在投影仪上,可以把铁屑显示的磁感应线分布情况投影到屏幕上,便于观察。类似的方法,还可以在投影仪上利用玻璃器皿演示不同带电体周围的电场线分布(头发屑由于极化在蓖麻油中发生转动和移动)、电解液受洛仑兹力引起的圆周运动的实验等。
(3)显微投影。显微投影指借助于显微镜完成的投影,显微镜观察是看放大的虚像,显微投影是看放大的实像。
如用显微镜来观察微粒的布朗运动时,只能个人单独观察,视力不同需分别调焦,很不方便,且每个人观察的结果很难一致。显微投影是利用显微镜把布朗运动投射到屏幕上,这样能使很多同学同时看到布朗运动,如图9所示。
9.应用补偿法
如演示匀速直线运动,可以将木板稍微垫起一点,抵消木板对小车的摩擦力。
再如光电效应演示实验中,由于锌板上电子减少,使得锌板电势升高,电子越来越难脱离锌板。可以在锌板前竖一正电的铁丝网,使得电子容易从锌板上脱离。
此外,还有平改竖法、背景衬托法等。
1.应用模型法,将太大、太小、太复杂的物理对象化为适合课堂演示的模型
模型是用放大或缩小了的、相似的能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象。具体应用如下:
过于庞大的对象:如潜水艇,可用饮料瓶、配重铁块和橡胶管组成潜水艇模型。将模型放于水槽中,通过橡胶管对饮料瓶充放气,演示潜水艇的浮沉过程。
过于微小的对象:如游标卡尺,可用木板做放大的模型,在课堂上演示。
过于复杂的对象:如交流电动机,拿一个真实的电动机给学生演示,学生很难对电动机的工作原理获得感性认识。这时可以将装饮料的易拉罐侧面开几个口做成线框,把易拉罐插在带尖的铁丝上,在其上方旋转蹄型磁铁来演示交流电动机工作原理。
2.应用模拟法,将难以观察的物理过程直观演示出来
模拟是用与实际物理对象遵循相同或相似规律的物体来代替实际物理对象,而替代物与实际物理对象在物理实质上并无共同之处。
如气体压强的微观解释,可以用大量连续不断掉落在台秤上的沙粒来模拟。改变下落沙粒的密度和速度,来演示气体密度和平均动能对压强大小的影响。
再如α散射实验,可以用小球撞向圆锥体来演示。
再如链式反应,可以用火柴梗浸过煤油晾干的火柴来模拟链式反应,将火柴梗排列成链式图形,点燃链式图形起始端的火柴梗,可观察到持续不断和越燃越激烈的现象。
3.应用放大法,将物理量的微小变化放大为可观察量
累积放大:如傅科摆,单次摆动偏转角度很小,可让摆长时间摆动,使得偏转角逐渐积累到可观察的程度。
力学放大:一是杠杆放大,如金属的热胀冷缩和金属丝在拉力作用下伸长,如图1、图2。二是连通放大,如液体分子间存在间隙和玻璃瓶微小形变演示,如图3。
光放大:如演示桌面微小形变,卡文迪许扭秤,如图4、图5。
电学放大:用传感器将各种物理量转化为电学量,再用集成运算放大器放大后接到显示装置上进行演示。
4.应用比较法
比较是人们认识事物常用的方法,是依据一定的标准,将彼此有某种联系的事物进行对比,通过事物相同或相异特性的比较,揭示事物的本质和区别。运用比较法,可帮助学生接受新概念,加深对概念的理解。
如演示物体动能与速度、质量的关系中,同时释放处于斜面同一高度的铁柱和铝柱,可看到铁柱和铝柱同时滚到斜面底端,说明铁柱和铝柱滚到斜面底端时具有相同的速度。再让铁柱和铝柱碰撞同样的木块,可看到被铁柱碰撞的木块滑动距离长,说明在速度相同时质量大物体的动能大。
再如演示不同颜色物体的吸热本领时,可取两个烧瓶,其中一个贴上黑纸,再在两烧瓶中间点一盏灯,可看到黑色烧瓶玻璃管中液柱上升较快,说明黑色物体吸热本领比白色物体吸热本领大。
5.应用转动法,将弱力的作用效果显示出来
弱的作用力较难推动物体平动,但可以使处于转动平衡的物体转动起来。利用这种方法,可以将弱的作用力演示出来。
如反冲作用,可以在饮料瓶上斜着扎些孔,再用细绳吊起来,向瓶里加水,水从瓶中流出时推动瓶子旋转,从而演示反冲作用。
再如静电力,可以将带电的玻璃棒从中间悬挂起来,用另一根带电玻璃棒靠近,通过悬挂着的玻璃棒的旋转,演示静电力。
6.应用天平失衡法,将弱的作用演示出来
对于灵敏的天平,当两端所挂物体质量或作用力稍有不同时,天平就会失衡。利用这个特点,可演示弱微弱的质量或作用力的变化。
如空气气体质量,可以在天平上一边挂充满气的篮球,一边挂砝码,调节天平平衡。然后逐渐放掉篮球中的空气,可以看到天平逐渐向砝码这一侧倾斜,说明篮球中的气体质量逐渐减少。
再如安培力,可以在天平一边挂线框,一边挂砝码,调节天平平衡。在线框下放置磁铁,然后给线框通电,通过天平的倾斜演示安培力。
7.应用实物显示法,将抽象的概念直观化
如摩擦力,摩擦力方向的判断是物理教学中的一大难点。可以用两边都有较长软毛的刷子演示。如图6、图7。
再如在对流的液体中加入小纸屑,用纸屑的运动演示液体的流动方向。
8.应用投影法
(1)暗影投影。暗影投影是利用光线经过物体后,由物体本身对光线的吸收或折射,在物体后的屏上得到暗的或照度不均匀的影子,以供观察。暗影投影在屏上得到的是物体的影,而不是像。
例如验电器金箔张角的暗影投影,为了使学生从不同角度观察的验电器金箔张角有同一大小,可采用如图8所示装置进行暗影投影,在毛玻璃上看到验电器金箔张角的影子。
(2)成像投影。成像投影是利用由物体发出的或反射的光线,经过透镜折射后,成一清晰的放大的实像于屏上,以供观察。专用的成像投影器有幻灯机和投影仪等,一方面可以利用它们进行幻灯片、投影片的放大放映,另一方面可以利用它们来呈现物理实验的现象,增强演示效果。
例如,将透明玻璃水波盘放在书写投影仪上,可把水波的传播、干涉、衍射等现象投影到银幕上观察。把磁力线演示仪放在投影仪上,可以把铁屑显示的磁感应线分布情况投影到屏幕上,便于观察。类似的方法,还可以在投影仪上利用玻璃器皿演示不同带电体周围的电场线分布(头发屑由于极化在蓖麻油中发生转动和移动)、电解液受洛仑兹力引起的圆周运动的实验等。
(3)显微投影。显微投影指借助于显微镜完成的投影,显微镜观察是看放大的虚像,显微投影是看放大的实像。
如用显微镜来观察微粒的布朗运动时,只能个人单独观察,视力不同需分别调焦,很不方便,且每个人观察的结果很难一致。显微投影是利用显微镜把布朗运动投射到屏幕上,这样能使很多同学同时看到布朗运动,如图9所示。
9.应用补偿法
如演示匀速直线运动,可以将木板稍微垫起一点,抵消木板对小车的摩擦力。
再如光电效应演示实验中,由于锌板上电子减少,使得锌板电势升高,电子越来越难脱离锌板。可以在锌板前竖一正电的铁丝网,使得电子容易从锌板上脱离。
此外,还有平改竖法、背景衬托法等。