探究性物理实验举例

物理学是以实验为基础的,物理实验教学在物理教学中占有很重要的地位。随着中学物理教学研究的不断深入和发展,探究性实验的作用越来越为人们所认识。探究性实验作为一种近年来崭露头角的新型实验,在激发学生学习兴趣、训练动手操作能力,特别是在培养学生创造性思维能力方面发挥着很好的作用,它是学生理解科学探究的重要途径。

一、电热器产生热量定性比较实验探究

苏科版9年级物理下册14页第4题对于电热器产生热量的多少,我们可以进行定性比较:将火柴棒插入电阻圈中,火柴先被点燃的电阻圈温度升高得多,产生的热量也就比较多。笔者在实验教学中发现,火柴能够因电阻圈通电后发热而被点燃,但时间先后并不明显。究其原因有二:一是同一盒火柴中每根火柴之间存在微小差异,火柴头药量的多少、干燥程度等;二是电阻圈通电后发热的差异,就二个电阻圈而言,电阻值不同在串联电路中发热量当然不同。问题是火柴头是被二圈电阻丝夹着,只有火柴头附近的几圈电阻丝发热对火柴影响较大,而几圈电阻丝之间的阻值差异很小,特别是阻值差别主要是由长度引起的电阻圈。

改进:采用编号为J2371的焦耳定律演示器,其实验原理是将密闭容器内的电阻丝通电,电阻丝放出热量使密闭容器内的空气吸热后体积增加、压强增大,从而推动U形管中的指示液面上升。液面上升高度的大小反映了电流通过电阻丝做功产生热量的多少。

二、磁性材料“居里点”定性探究实验

高中学生在磁场章节磁性材料中学习了磁性物质的居里点,任何物质在磁场的作用下都能或多或少地被磁化,只是被磁化程度不同。像铁那样能够被强烈磁化的物质叫铁磁性材料。磁化后的铁磁性物质,它们的磁性并不因外磁场消失而完全消失,仍然剩余一部分磁性。铁磁性物按剩余磁性的情形分为两种,一种如碳钢、钨钢、铝、镍、钴的合金等,它们的剩余磁性较强而且不易消失,能够保留较强的磁性,这种材料叫做硬磁性(又称永磁材料),另一种如软铁、硅钢、镍铁合金,它们的剩余磁性较弱而且容易消失,这种材料叫做软磁性材料。实验指出,当温度高达一定程度时,硬磁性材料将消失而成为软磁性材料,这一温度叫“居里点”。电饭锅中使用的是居里点为105度左右的稀土磁性材料。

实验探究:

实验器材:酒精灯、火柴、铁架台、2块磁性材料(从电饭锅磁缸中获得)。

探究步骤:

1.在常温下,2块磁性材料相互吸引,将一块吊起,另一块因磁性的吸引而吸附在下面。

2.点燃酒精灯,对这2块磁性材料加热,磁性材料受热温度升高。

3.猜想:温度升高后磁性材料可能因为熔点低发生熔化,可能不发生变化仍保持相互吸引,也可能因温度升高失去磁性而相互分开。

4.实验现象:磁性材料失去磁性而相互分开,再相互接触不再相互吸引。

5.如果让磁性材料冷却,温度降低后会怎样?

6.猜想:磁性材料失去了磁性,不能再恢复了。也可能磁性材料又恢复了磁性。

7.实验现象:磁性材料冷却后恢复了磁性而相互吸引。

8.讨论:磁性材料温度升高后失去磁性,降低后又恢复磁性这一特性有什么用处?

本实验中如果要定量地测定发生转变的温度又该如何设计?

实验评价:

本实验中的磁性材料取之于生活中常用的家用电器―电饭锅,贴近生活,能激发学生的浓厚兴趣。所用的知识来源于高二物理中电磁学章节。将书本知识和实际生活相结应该说是一个很好的范例。

本实验采用探究的方式,步步推进,层层猜想,有利于激发学生更好地学习物理的热情,与当前的教学改革是相吻合的。同时,该实验对磁性材料居里点作了定性探究后,又提出了如何进行定量测定的问题,进一步激发了学生的探究激情。

三、有关电容性质的两个探险究性实验

高中物理课本中有二处涉及电容,电容的性质:电容能够充放电;电容能够通交流阻直流。

1.电容与闪光灯

原理:电容具有储存电荷的能力,根据需要可以进行充放电。

实验器材:电容、闪光灯、导线、电源、单刀双掷电键。

实验步骤:

(1)将电容、闪光灯、导线、电源、单刀双掷电键连接好。

(2)合上单刀双掷电键给电容充电。

(3)将单刀双掷合向另一侧,闪光灯闪光。

(4)重复2、3闪光灯再次闪光。

2.电容与电风扇的正反转

原理:电容具有通交流隔直流的能力,小功率三相电机接入二相线路时通常有一相是通过串联一个电容后再接入电路,电容与哪一相串联决定了电机的运转方向,比如日常生活中的电扇、卫生间里的浴霸中的吹风机等如果电容串联接错了绕组则不能正常工作。

实验器材:电容、电风扇、导线、电源。

实验步骤:

(1)将电容、电风扇、导线、电源连接好

(2)接通电源,电风扇正常工作

(3)断开电源,改变电容的连接

(4)接通电源,电风扇反向工作(可用悬挂的纸条显示风向)

四、“验证电磁波的存在”实验探究

1.问题的由来

苏科版初中物理9年级下册67页有一个实验活动“验证电磁波的存在”。活动步骤是:(1)打开收音机的开关,将旋钮调至没有电台的位置,并将音量开大。(2)如图,取一节旧的干电池和一根导线,靠近收音机,将导线的一端与电池的一极相连,再用导线的另一端与电池的另一极时断时续地接触。(3)你从收音机里听到了什么?这是为什么?活动结果是从收音机里发出了“卡啦”声,从而验证了时断时续地接触时产生了电磁波。本实验器材简单、操作容易在教学中深受师生喜爱。但我产生了以下几个驱动性问题:(1)干电池短路、断路交替产生电磁波有何理论上的依据?(2)为什么收音机在SW、MW波段任一位置都能听到而在FM波段听不到“卡啦”声?(3)本实验还可以作哪些改进?

2.实验原理探究

电磁振荡可以产生电磁波,物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上,建立了完整的电磁场理论。如果在空间某处发生了变化的电场,就会在空间引起变化的磁场,这个变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。电磁场这样由近及远向周围空间传播形成电磁波。要向外发射电磁波,振荡电路必须具有如下的特点:(1)要有足够高的振荡频率。频率越高,发射电磁波的本领越大。(2)振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间,才能有效地把电磁场的能量传播出去。普通的电容器和线圈组成的振荡电路,实际上不能用来发射电磁波。为了把电磁波发射出去,就要改造振荡电路,增大电容器极板间的距离,减少自感线圈的匝数,以便减少L、C的值,增大振荡频率,并使电场和磁场扩展到外部空间。这样的振荡电路叫做开放电路。

干电池短路、断路交替显然不是高中物理上所说的典型的振荡电路,假定干电池短路、断路交替类似于电动力学中的赫兹振子,即由两个金属小球K和K’构成,小球用导线L联接,当两球分别充以等量异号电荷时,就会发出放电现象,由于电阻很小,所以这种放电是属于振荡性的。振荡放电实际上是电荷在导线中作加速运动形成的,因此在它的周围空间里激发起变化的电声,辐射出一列连续的电磁波。那么这样的电磁波是单一频率还是多种频率混合?频率的大小与哪些因素有关?为什么收音机在SW、MW波段中的任一位置都能听到?

假定干电池短路、断路交替产生的是一个电脉冲干扰信号,持续时间短、干扰的强度大,事实上,做实验时就可以看到微弱的电火花。这种干扰信号地收音机中产生了“卡啦”声。

收音机的广播制式可分为二种,一是调幅广播,用声频调制载波的振幅,振幅随声频信号变化,载波频率不变。调幅波受到干扰调幅,在收音机中很难除去。因而,调幅收音抗干扰能力差。二是调频广播,采用载波频率随调制声频信号变化而幅度不变的调频方式。调频收音中设有限幅器,可以将受到干扰信号调幅的调频波一下切齐,从而消除干扰,调频收音机抗干扰能力强。正是这个原因,收音机在SW、MW波段能听到而在FM波段听不到“卡啦”声。经过实验验证,干电池短路、断路交替产生的是一个电脉冲干扰信号而不是一列完整的电磁波。

3.实验的改进

将实验活动改用电视遥控器来发射电磁波,收音机来验证电磁波的存在。电视机遥控器发出的电磁波频率是465KHz,将遥控器对着接收频率为465KHz的收音机,打开收音机会产生“嘟嘟”声。经过改进后,从实验活动的原理上说更为科学,实验活动的效果也比较明显。