高中热学演示实验仪器的研究与实验设计

1、 高中热学演示实验仪器的研究与实验设计 摘要 物理学是一门实验科学，在物理学中，每个概念的建立、定律的发现都有其坚实的实验基础。物理演示实验是密切配合物理课堂教学内容由教师操作并引导学生观察的实验教学方式。它能够起到激发兴趣、加深理解、巩固记忆、促进思考、培养能力的作用，是物理教学的重要组成部分。而热学作为物理教学的组成部分，其理论教学和实验教学方法和特点都区别于其他学科，因此，我们有必要对热学演示实验的教学进行研究。关键词 热学 演示实验 实验设计 引言 热学作为物理教学中的重要组成部分，其理论教学和实验教学的方法和特点都区别于其他学科。随着中学课程改革的实施，热学演示实验得到了越来越多的关

2、注和重视，作用也越来越大。然而，也有不少学校，由于条件或者其他因素的限制，对热学演示实验没有给予足够重视。就以上问题，作者认为应该加强对热学演示实验理论和实践的研究，更好的服务于教学。1演示实验的作用和基本要求1.1演示实验的作用所谓演示实验就是指教师在课堂教学中，为组织学生观察，思考而进行的实验操作演示活动。演示实验是物理教学的重要手段之一，是体现具体与抽象相统一，理论与实践相结合的教学原则的重要方法。其作用主要表现在以下三个方面:演示实验能直观形象地为学生提供感性认识，是学生形成物理概念，理解物理现象的基础。它能将日常生活实践中不易观察到的或习以为常而未引起注意的物理现象突出地显示出来。演

3、示实验能使学生加深对讲授内容的理解，巩固记忆，激发兴趣，诱导思考，纠正错误观念，建立正确的认知。演示实验能培养学生的观察能力，思维能力和科学的思维方法，是提高学生发现问题，分析问题和解决问题能力的有效途径。11.2演示实验教学的基本要求演示实验要有利于学生观察。演示实验是教师在讲台上，借助于组装好的仪器和设备，分步骤地操作，将实验现象展示在学生面前，用以帮助学生学习的一种教学方法，所以有利于学生观察是对演示实验最基本的要求。演示实验要有利于学生建立概念掌握规律。在教学中，学生观察演示实验的主要目的，是为了更好地建立概念、掌握规律，所以演示实验必须注重科学性。演示实验的科学性主要指实验装置的科学

4、性、实验操作的科学性和实验解释的科学性。演示实验要有利于培养学生实验能力。中学物理教学作为中学教育的一个重要方面，不仅应关注人类发展和文化传承的需要，更应当关注人的全面发展的需要；不仅应注重物理知识的学习，更应当注重相关科学能力的培养、科学观点与科学精神的建立、科学方法的掌握、科学态度的端正。演示实验可以从知识、能力、观点、方法、态度、情感诸方面有效地促进学生的全面发展。演示实验要有利于提高学生科学研究水平科学的核心是探究，教育的目标是促进学生发展。中学物理教学应当体现这两者的结合，让学生在学习中通过科学探究，进而理解物理学的本质，形成科学态度、情感与价值观，培养创新意识和实践能力。这就要求我

5、们物理演示实验从原来以建立概念、总结规律、传承知识为基点，转移到以物理知识的讲授和技能的培养为载体，让学生经历科学探究过程，从中学习科学研究方法，培养科学探究精神、实践能力及创新意识。2.热学演示实验在教学中的作用中学物理课程中的热学部分就其内容来讲主要是经典物理学中最基本、最简单、与实际联系最密切的部分。其主要概念、规律都是在实验基础上建立起来的。理想的热学教学过程应该是：在教师的指导下，学生一边实验，一边观察，通过总结分析获得知识。由于客观条件的限制，不可能所有的实验都由学生亲自动手来做，大部分实验是由教师做给学生看。从这个意义上讲，热学演示实验是学生最集中地获得热学现象的主要来源。同时热

6、学演示实验在培养学生观察能力、实验能力、提高学生学习物理的兴趣等各方面都起着十分重要的作用。它在教学中的作用主要体现在：（1）为学生提供必要的感性知识中学物理的内容虽与日常生活中许多现象有密切的联系，但中学生尚缺乏有关的物理知识，往往不能深刻地感觉这些现象，难以找出这些现象所反映的物理本质。而且有些物理现象似乎与日常生活中给学生的印象不一致。因此有必要通过演示实验把物理现象的特征突出地显示出来，使学生获得丰富、深刻、正确的感性认识。这样学生不仅容易记住结论，而且在头脑中形成了一定的物理图像。（2）是归纳物理概念和规律的基础中学物理中的大部分概念、规律都是在实验的基础上得来的，演示实验直接为学生

7、提供丰富的感性材料，帮助学生建立概念或为规律提供实证，这样学生对概念、规律的理解就深刻的多了。如果不进行实验或实验不成功，学生就会对结论产生怀疑或者印象不深。（3）培养学生的观察能力、实验能力通过对演示实验讲解、分析，引导学生观察，使学生不仅看到实验现象，也学习了观察的方法，培养学生全面、细致的观察能力。通过细致的观察，学生不仅认识了现象，而且提高了观察能力。（4）引起学生的兴趣，吸引学生的注意兴趣是最好的老师，有了兴趣就有了内在的动力，可以得到好的学习效果。中学生持续注意时间一般不超过20分钟，教师在上课时要采用多种教学方法，演示实验则是物理教学中最有效的方法之一。一个精彩的演示实验会引起学

8、生兴致盎然地去观察，并能留下深刻的印象，引起激烈的讨论。53.做好热学演示实验应注意的问题（1）明确实验目的热学演示实验的实验目的，并不是由实验内容决定的，而是由课堂教学需要决定的。通过一个演示实验，究竟要说明什么问题，教师必须对此十分清楚，从而选择典型的实验内容，设计最简明的实验装置。 （2）注意演示的科学性和严密性热学演示实验的科学性和严密性是与学生的认知能力及中学实验的误差要求相统一的。它具体体现在三个方面：实验原理本身要科学严密。实验内容与教学内容要有机结合，两者间要有正确的逻辑关系。教师的实验操作和读取处理实验数据要规范。由于热学演示实验对学生有明确的示范作用，对上述三点我们必须十分

9、注意，否则会给学生带来不良的影响。（3）确保实验一次成功热学演示实验必须力求一次成功，这对于提高教学效果是极其重要的。若实验不能一次成功，就会削弱学生的信服力，影响师生情绪，耽误学习时间。（4）确保实验的安全热学演示实验中，必须保证安全，不要安排具有危险性的实验内容。具体来说，在演示实验操作过程中，应遵循以下要点：.不要演示可能有害学生健康的实验。A、无不可控的爆炸。B、在没有通风的情况下不产生烟、气。C、在没有给学生提供防护的情况下，无强光或强热产生.对于每一个演示都要有书面的操作程序。.知道所有与演示相关的活动和设备的危险情况。.在附近有合适的紧急安全设施。.处理好用过的物质。.教师要想方

10、设法增大演示实验的观察效度。24.对常用热学演示实验仪器的研究4.1温度计常用的温度计有:水银温度计、酒精温度计、煤油温度计。4.1.1温度计的作用及结构原理温度计是用来测量物休温度的.常用温度计由玻璃泡和毛细玻璃管组成.玻璃泡内装水银、酒精或煤油.玻璃泡上方连着的毛细玻璃管的厚壁上有刻度.当温度上升时，泡内的液体膨胀液面上升.温度下降时，泡内的液体收缩液面下降.从液面的位置可读出温度的数值.所以.常用温度计是根据液体热胀冷缩原理制成的.4.1.2温度计的使用方法使用前,先要观察温度计的量程,选择合适的温度计,要清楚其最小刻度,以便准确地读数。测温前应估计被测温度的高低,以免被测温度过高,温度

11、计里的液体把温度计胀破。测量温度时,应使温度计的玻璃泡跟被测物体充分接触。温度计的示数稳定后再读数。读数时温度计的玻璃泡要留在被测液体中,视线与毛细管中的液面相平。如果是水银温度计,应以凸面为准,如果是酒精或煤油温度计,观察时应以凹面的底部为准。4.1.3 使用温度计中的常见错误使用时,常常刚把温度计插入水面就立即松手,以致砸破温度计下端的玻璃泡。将温度计玻璃泡从待测液体中拿出来读数。在温度计玻璃泡触及容器底或侧壁的情况下读数。读数时,视线与温度计玻璃管不垂直。温度计的玻璃泡未完全浸入待测液体中。4.2酒精灯在热学实验中,酒精灯是加热最常用的加热仪器,它的结构简单,主要由容器、灯芯、灯帽组成,

12、但使用时确有很多问题须要注意。4.2.1酒精灯使用前检查酒精。检查灯里是否有酒精,若无酒精或少于容积的四分之一以下,就应向灯里添加酒精。添入酒精量不能超过灯身容积的三分之二。检查灯芯。检查灯芯是否平整、烧焦及其长短程度、灯芯的松紧度。4.2.2酒精灯使用中点灯之时。点燃酒精灯只能用燃着火柴或木条去点燃,绝不允许用酒精灯引燃另一只酒精灯。加热之中。A.加热时用外焰。灯焰分焰心、内焰、外焰三部分。外焰燃烧充分,温度最高。B.酒精少于容积四分之一以下时应及时补充。4.2.3酒精使用后给物质加热完毕,需移去并熄灭酒精灯。熄灭它,只允许用灯帽盖灭,绝不准用嘴去吹。灯帽必须盖严,以防酒精挥发而浪费,同时避

13、免灯芯中的酒精吸收空气水分,导致下次使用时很难点燃。4.3 压强计压强计的结构如图4.1所示. 实验前,安装好压强计后,U型管左右液面相平,都对准“0”刻度线.实验中,把探头放入液体中时,左液面下降,低于“0”刻度线;右液面上升,高于“0”刻度线,U型管左右液面出现高度差h,高度差h的变化表示液体压强的变化。图4.1 压强计结构5热学演示实验的设计5.1设计原则热学演示实验的设计要遵循下述的几条原则：（1）目的性原则：设计任何实验首先都必须明确设计的目的和要求。对此，应注意下面几个问题：设计的实验应具有明确的目的和针对性。对于设计热学演示实验来说，不仅要明确所要设计实验的实验目的和要求，还要明

14、确其教学目的和要求。要了解所要设计的实验在教学过程中的地位和作用，以及在整个教材体系或实验体系中的地位和作用。要了解所要设计的实验与相似实验、相关实验的联系与区别。要选择并确定设计的重点和突破口，以方便有针对性地解决设计的重点和难点，确保设计成功。（2）科学性和可行性原则：在设计热学实验的过程中，必须确保设计的科学性和可行性。首先是实验原理必须是科学可行的。实验原理的科学性主要指实验中所依据的物理原理是否正确，是否确切。原理的正确性要求实验现象必须真实、正确的反映实验原理，不能弄虚作假，制造假象欺骗学生。实验原理错误是绝对不允许的，但因误差是由于实验系统和条件的非理想化产生的，是不可避免的，故

15、实验中允许存在误差。原理的可行性指从仪器制作、器材选择、实验条件和操作等方面看实验能否成功，实验的稳定性、重复性和安全性可好。其次，该原则还应从实验内容来看设计的实验是否符合教育心理学原理，能否应用于实际教学过程，达到一定的教学目标。这主要表现在三个方面:1)实验原理及其教学程序是否符合学生的认知规律、心理特点；2)实验的基本内容学生是否能接受、理解；3)实验及其教学程序是否有利于指导学生观察、启发学生思维。最后，科学性和可行性原则还要考虑设计中实验方法的应用、技术问题的处理是否科学、合理。（3）简便性原则：简便性原则包括原理简单、仪器装置结构简明、操作简便、由演示现象导出结论时解说或推理简便

16、、节省时间等。原理简单。在设计实验方案时，往往会根据不同的实验原理提出不同的实验方案。这时，就应根据中学生的特点，选择实验原理比较简单的方案，以利于对实验进行分析讲解。仪器、装置结构简明。只要演示实验的科学性强、现象明显，则仪器装置越简单越好。仪器结构简明、装置容易安置、器材简便、取材方便，容易突出所设计实验的原理，有利于学生了解设计思想、实验原理和实验方法，了解实验装置，而不为那些复杂的结构所干扰。操作简便。操作简便不仅有利于一次性成功，增加教师的信心，稳定师生的情绪，增加学生对教师及实验的信任感，而且也有利于学生对实验过程、步骤等的观察与思考，不因操作的繁琐复杂分散学生的注意力。解说推理简

17、便。演示实验是为了配合教学而设计的，因此，实验所依据的原理、采用的方法、进行的步骤等都应该有利于解释实验现象、导出实验结论。时间要节省。演示实验不是独立于教学之外，而是跟当堂教学紧密相连，要在课堂上完成、受时间的限制。它的地位和作用决定了实验不能太复杂，进行的时间不能太长。（4）明显性原则：明显性不仅仅指仪器装置的可见度、观察对象的清晰度、实验结果的明显度，还指整个实验过程是否清楚的显露出来，容易让人看到或感觉到。在设计实验中用以解决实验的“技术”方面问题时，应注意以下几点:尺寸要足够大，观察对象要大。我们可以设计制作一些本身尺寸较大的仪器、装置，采用大型的观察对象以满足明显性的要求。实验现象

18、明显。除了仪器装置的尺寸大之外，装置、材料的选取、实验显示的方法等对现象的明显程度的影响也至关重要。色彩鲜明，明暗合适。为了增大对比度，突出重点、突出观察对象，使实验装置层次分明、结构清楚，把一些不太明显的部分显示出来，通常使用各种色彩的搭配和衬托。在实验设计中主要应用色彩来做背景衬托和染色处理。整体布局合理。演示仪器要放在适当的高度，务必使全班学生都能看清仪器装置。仪器放置太低，教师操作时容易遮挡学生的视线。为了让学生更好地掌握物理现象的规律，有时不止让学生看到一些静态现象，还要让他们观察到现象的变化和发展过程。（5）趣味性原则：要使实验给学生留下深刻的印象，增大感知效果，实验要有一定的趣味

19、性，实验产生的现象要给学生一定的感官刺激，以吸引学生的注意力，激发学生的兴趣。实验只要有新意，能引起学生的兴趣就符合了实验的趣味性这一原则。（6）指导性原则：演示实验作为配合课堂教学的一种形式，必须具有可指导性。能便于教师指导学生进行观察、思考，指导学生进行演示操作。65.2设计方法及实践5.2.1 改革实验装置，增强演示效果实例一、压强计的改进在教学中,发现该压强计具有如下的缺点:.完好的液体压强计,在探头没有放入液体中时,液体压强计中的U型管中的两液面是相平的,如图4.1所示.在教学实验过程中,把压强计安装好后,会出现图5.1所示的现象,其原因是探头与U型管左管内水面间的气压大于大气压所致

20、.有时无论如何调整探头的橡皮膜和胶管,U型管左右管都存在液面高度差h,从而影响实验.图5.1 压强计出现左右液面高度差.实验前,U型管左右液面相平,都对准“0”刻度线.在实验中,把探头放入液体中时,U型管左右液面出现高度差,如图5.1所示:左液面下降,低于“0”刻度线;右液面上升,高于“0”刻度线,给记录U型管左右液面高度差带来不便.在实验过程中,探头的深度位置难于固定,造成U型管液面高度差改变,会分散学生的注意力,并且不借助刻度尺,仅凭肉眼无法记录探头在液面下的深度.改进方法：如图5.2所示图5.2 改进后的压强计制作步骤如下:.把U型管改为勺型管,把它固定在展示板上,在勺型管勺头两侧的展示

21、板上,均匀地刻上刻度,勺柄水平对准“0”刻度线.把直胶管更换为三头胶管,一端套勺型管,一端套探头,一端夹上夹子2.在金属探杆上安装可以上下滑动的横杆,并在横杆上安装夹子1,用于固定探头在液面下的深度.在金属杆旁安装刻度尺,刻度从探头起向上从“0”开始逐渐均匀增大,便于测出探头所处液面下的深度.在面板两侧安装4个可以折叠的底架,便于摆放.在面板背面钉2个支架,用于挂胶管和探头.使用改进后的压强计,实验前不必浪费过多的时间去调整U型管左右液面是否相平,探头的深度容易控制,而且师生都更容易读出探头的深度和压强的大小变化,缩短了实验操作时间和记录实验数据的时间.实验的连贯性增强了,获得的实验数据更有利

22、进行实验分析,提高了实验效果和教学效率.4实例二、气体热膨胀的演示教材中是将“”形玻璃管里面注入一段红墨水的水柱来显示空气受热时体积的变化。此种装置的不足之处在于“”形管的水平部分不易做到真正的水平，红色液柱不好固定住，学生也很容易把液柱的移动误解为由液柱重力而引起，演示效果很不理想。如果把“”形管改成“N”形管，如图4.3所示，就不会出现上述问题。用“N”形玻璃管封闭在烧瓶口上演示时，液柱平时稳定地处于管的弯曲部分的底部，当烧瓶内的空气受热膨胀时液柱被推动着沿管的竖直部分上升，绝对不会造成学生的误解。图5.3 N形玻璃管5.2.2巧做实验，方法创新实例一、乙醚染色乙醚是无色液体，能见度较小，

23、在完成有关未饱和汽与饱和汽等实验中，为了判定乙醚蒸气是否处于饱和状态，需要观察液态乙醚的存在与否，最好将乙醚染色，具体方法有:(1)将紫草根(治疗烫伤的中草药之一，中药店有售)浸泡在乙醚液体中，可使其呈红色；(2)在乙醚中放入少量碘屑，可获得像碘酒一样的紫褐色液体“棕色碘乙醚”，实验证明，棕色碘乙醚蒸发得很快，并不影响乙醚饱和汽实验的结论，且极易被观察到.实例二、气体热膨胀实验在课本介绍的实验装置的玻璃管中滴入一些肥皂水，如图5.4所示，这样在玻璃管中形成一串小小肥皂泡。由于肥皂泡的表面张力较大，能保持很长时间，当手握住烧瓶时，从肥皂泡在玻璃管水平部分左右移动可反复观察气体的热胀冷缩。如果把烧

24、瓶放在酒精灯火焰上微微加热，在玻璃管口还会吹出一个很大的肥皂泡，停止加热，肥皂泡又会缩小。改进后的实验引起了同学们的浓厚兴趣，形象生动地说明了气体热胀冷缩的道理。7图5.4 气体膨胀演示仪5.2.3 借助于多媒体，模拟演示实验高中物理对实验的精确性要求较高，有时需要进行定量分析，而由于实验室实际器材的限制，或操作上的难度较大，往往使实验的可见度较低，例如微观粒子的运动、粒子散射、原子核的裂变和聚变、卡文迪许扭秤实验、天体运动的演示实验等等，要在中学实验室开设这些实验是不可能的，这时就需要应用多媒体技术来辅助了。实例、分子扩散运动观察了“布朗运动”后，自然会在学生们的心中产生这样的疑问：花粉颗粒

25、为什么会这样运动？所有的花粉颗粒都会产生布朗运动吗？对于肉眼看不到、用光学显微镜也看不到的分子，形象地设计分子构成、分子无规则运动的动画，在大屏幕上演示出布朗运动产生的原因，进行分析，微观世界的现象就以动画的方式形象地展示在同学们面前，有效地突破了“微粒的大小对布朗运动的影响”这一教学难点，使原本难以理解的事实的解释变得简单、生动，学生的学习效率也会因此提高。5.2.4 自制教具，引导学生创新教材中应用性的演示实验太少，不利于培养学生理论联系实际、应用基础的物理知识、基本的实验原理和技能去解决新问题、扩展思维的能力，所以教师需要多开展自制中学物理演示实验教具的活动，同时引导学生深入研讨教材，分析课本上的演示实验，从中发现问题、思考问题，并提出解决问题的方案。实例一、大气压强演示实验可利用塑料饮料瓶和注射器制作一个简易的演示仪器，实验时，当注射器的活塞抽出1/3时，即可看到塑料饮料“璞”的一声被压变形，最后将被压扁，并且不断发出“劈劈啪啪”的声音，这种视觉和听觉的双重刺激不但给学生留下极深的印象，而且实验所需的器材在生活中随处可见，学生可在课后自己动手制作，培养学生动手能力。实例二、金属环的热胀冷缩实验中学配备了金属球热胀冷缩演示器，为了增加实验内容，可用铝板(厚3一4mm)再自制一个带柄的金属环