演示实验对高三物理教学的作用

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  高三物理教学中,常常在试题训练与讲解中度过,往往会忽视演示实验的教学,认为没有必要,那是新课教学的事,其实不然,若能充分发挥演示实验功能,对高三物理教学往往能启到出其不意的好效果!除了能增强学生学习的兴趣外,我认为还有如下的作用.
  1演示实验能梳理知识结构
  “心中有结构,脑中有模型,手中得方法” 是我们要求高三学生要达到的目标,是我们高三复习的核心.所以学生知识结构网络的形成是我们高三复习的基础,从单章的单一知识结构,到模块的关联知识结构,最终到高中物理的多元知识结构,形成一张错综复杂的知识结构图.那么怎样让学生快速形成一张网,除了教师讲解传授、学生自我训练、师生互助总结外,其实借助演示实验,精心设计教学过程,能启到关键作用.
  如高中物理中的“跳环实验”,如图1所示.
  教师演示:套上铝环,闭合开关,铝环跳起.设问为什么?
  学生:闭合开关瞬间,铝环产生感应电流,受安培力作用,由于安培力大于铝环的重力,因而跳起.
  教师再演示:套上纸环、纸环没有跳起,设问为什么?
  学生:纸环没有多余的自由电荷,没有感应电流.
  教师再演示:套上有缺口的铝环(不闭合),铝环没有跳起,设问为什么?
  学生仔细观察了缺口的铝环后,恍然大悟,没有闭合回路,没有感应电流.
  教师再设问:没有感应电流,就是没有电磁感应现象吗?
  学生:不是的,有感应电动势.
  教师再演示:套上较重铝环,闭合开关,铝环悬浮,设问为什么?过一会儿,让学生摸铝环,铝环发烫,设问为什么?
  学生:闭合开关后,铝环产生感应电流,受安培力作用,由于安培力等于铝环的重力,因而形成浮环.铝环发烫,由于电流做功,产生焦耳热.
  这样,既复习了电磁感应的知识,又联系了力与运动及能量的关系.可构建如图1所示的结构图:
  2演示实验能突破教学的难点
  在物理课堂教学中,动滑轮的动态平衡类问题是教学中的一个难点,无论教师循循善诱、苦口婆心的教导,学生收效甚微,效果较差,究其原因,学生对多个物体的变化(如细线的移动、滑轮的移动),在头脑中,由于没有体验,根本没有滑轮最终平衡态的情景,所以题目无法求解,因此巧妙适时的运用演示实验,能有效解决此类困惑.
  我们从“母题”入手,如图3所示,将一根不可伸长的细线,系在两根竖直杆M、N的等高A、B两点上,一个悬挂重物G的动滑轮(不计摩擦)挂在细线上,达到平衡时,两侧细线的拉力为T.讨论:改变以下几种情况,滑轮再次达到平衡时,细线的拉力如何变化?
  (1)细线B端缓慢向下移动一段距离.
  (2)细线B端缓慢向上移动一段距离.
  (3)竖直杆N靠近M杆.
  (4)竖直杆N远离M杆.
  本题先让学生讨论,再教师做演示实验,在黑板上画好两竖杆M、N,一个悬挂重物G的动滑轮(不计摩擦)挂在细线上,用磁铁把细线两端点固定在A、B两点上,在黑板上画出原来滑轮平衡时,滑轮两侧线线的位置,按题意操作,进行对比.B点上、下移动,发现滑轮两侧细线的夹角与原状态角度相等,则细线的张力不变(如图4);若M、N两杆靠近,可发现滑轮两侧细线的夹角变小,张力变小;若M、N两杆远离,可发现滑轮两侧细线的夹角变大,张力变大.
  我国著名物理教育家、苏州大学朱正元教授早就总结:“千言万语说不清,一看实验就分明.”所以教师讲,不如做,让学生从事实上得到知识.为了巩固这类题目,再让学生一题多变,加强理解与应用.
  变式一如例中已知细线的总长度5 m,M、N两杆间距为4 m,重物重10 N,求细线的张力多大?
  变式二如图5所示,在穹形支架上,现将用一根不可伸长的光滑轻绳通过滑轮悬挂一个重力为G的重物.将轻绳的一端固定于支架上的A点,另一端从B点沿支架缓慢向D点靠近.则绳中拉力大小变化情况是
  A.先变小后变大B.先变小后不变
  C.先变大后不变D.先变大后变小
  3演示实验能拓宽物理情景
  高三习题教学中,常用的教学方式为:一题多变,形同质异,形异质同,加以辨别,加以区分.其实在演示实验中,也可起到同样的效果,开拓学生的思维,增强思辨的能力,加强迁移的素质.
  如在“跳环实验”的实验中,加上以下几组对比,更能突出实验的功能:
  (1)用铝环、铁环做对比实验:铝环能跳起,而同为金属的铁环,却不能,反而相吸了,让学生思考后明白,铁环被磁化了,铁、铬、镍等能被磁化的都不行,那么猜测用铜环做“跳环”可行吗?答案是肯定的:可行!教师最后设问实验中为什么用铝环呢?让学生得出结论是同样的条件下铝轻一些,跳得更高.
  (2)同一铝环,在同样高的电压下,直流电与交流电做实验:发现都能使铝环跳起,因为接通瞬间,磁通量发生变化,产生感应电流,在安培力大于重力的条件下跳起.但若跳不出变压器的铁芯,接交流电的铝环,能悬浮空中,成为浮环;但接直流电压的不行,稳定后,磁通量没有变化,铝环要下落.
  (3)同一铝环,中间放变压器的硅钢片铁芯与一块等大的铁块做对比实验:发现放一块等大的铁块作为铁芯时,铝环跳不起,说明,铁块产生了涡流,浪费了大量的能量.
  其实,这也十分吻合高命题趋势特征,请看近几年的试题:
  例1(2012年北京卷)物理课上,老师做了一个奇妙的“跳环实验”,他把一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线连接起来后,将一金属套环立刻跳起.某同学另找器材再探究此实验.他连接好电路,经重复试验,线圈上的套环均不动,对比老师的实给,下列四项选项中,导致套环未动的可能原因是
  A.线圈接在直流电源上
  B. 电源电压过高
  C.所选线圈的匝数过多
  D. 所用套环的材料与老师的不同
  4演示实验能经历理想与现实
  物理教学中,常从特殊到一般,从理想化模型到现实中应用,所以理想化的物理模型、器件很多,如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动等都是理想化运动,因而大量实际运动求解都要转化为理想化模型再做处理求解.所以物理题目的最大困难之处在于学生能通过审题,进行合理建模.但理想与现实,其本质差距很大!学生只有经历实验才能知道!
  例(2011年浙江理综)如图5所示,在铁芯上、下分别绕有匝数n1=800和n2=200的两个线圈,上线圈两端u=51sin314t V与交流电源相连,将下线圈两端接交流电压表,则交流电压表的读数可能是
  A.2.0 VB. 9.0 VC. 12.7 VD. 144.0 V
  根据理想变压器的知识,学生得出电压比9.0 V略大,排除了C、D两答案后,学生感到2.0 V偏小,不敢选,只得选了B,最终错误了.为什么学生不敢选A呢?其实最重要的原因是实验,我们的学生根本没做变压器的实验,我们的教师也从来没有折出变压器,亲手去绕副线圈,如保留原线圈,让一只3 V的小灯泡正常发光,用常见电线去绕,第一次铁芯闭合,数出绕几圈,小灯泡亮了,再铁芯不闭合,重新数出绕几圈,小灯泡一样亮了,再比较,发现线圈匝数差距非常大.或者让学生用电压表测出铁芯闭合、不闭合状态下,同一个副线圈两端的电压,再做比较!让学生明白,让学生通过实验经历,变压器漏磁的存在,能量转换中损耗很大,理想与现实并非一步之遥!
  实验是物理学的基础,在教学中如何更好的发挥其作用是每一位物理教育工作者的追求,尤其是高三教学中,适时、合理、巧妙地运用演示实验能启到事半功倍的作用,既能探求事物的本质,又能促进学生知识的巩固、结构的形成,模型的搭建,更重要的是学生通过演示实验懂得人生的哲理:学习最核心的是方法,理想很丰满,现实的更残酷!让我们从理想走向现实!
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