利用物理實驗 走出思維誤區

程芳卉，張育霞

(新疆生產建設兵團第二中學，新疆 烏魯木齊 830000)

利用物理實驗 走出思維誤區

程芳卉，張育霞

(新疆生產建設兵團第二中學，新疆 烏魯木齊 830000)

摘要：列舉了5種容易進入誤區的案例，例如:蠟燭熄滅問題，大小氣球變化問題，發電機輸出波形問題，打結問題及液體擴散問題，并逐一用實驗呈現出了客觀的實驗現象，分析了實驗本質，旨在通過這些實驗糾正學生的思維慣性，帶領學生走出思維誤區，讓學生和教師認識到實驗教學的重要性.

關鍵詞：密度；氣體壓強；交變電壓；摩擦力；擴散

1引言

在當前的物理教學中，物理實驗占有越來越重要的地位，它影響學生的知識結構和非智力因素的發展. 近幾年來，中考、高考試卷命題越來越重視對學生科學實驗探究能力的考察. 各種創新題目中存在著越來越多未加驗證的知識，而學生在學習過程中又會受以前“接受學習、死記硬背、機械訓練”的影響，遇到此類問題時直接將物理原理生搬硬套，這樣就會走入思維誤區，常常做出錯誤的判斷. 筆者收集了在教學中學生甚至教師都極易出錯的5個案例，旨在通過物理實驗糾正學生的思維慣性，帶領學生走出思維誤區.

2蠟燭熄滅問題

“高低不同的燃著的蠟燭罩上燒杯后誰先熄滅？”這一經典問題，總會引來學生的激烈討論.

大部分學生認為由于CO2密度比空氣密度大，所以低的蠟燭應該會先滅，而此題的正確答案則是高的蠟燭先滅. 分析造成學生出錯的原因發現：物理概念和規律本身都是從大量的具體事例中抽象出來的，教師在教學過程中，必須重視感性認識，讓學生在觀察物理現象和分析物理過程中獲得必要的感性認識，形成概念，并掌握規律. 而對于該題，學生并沒有通過實驗驗證，只是將已學知識搬過來套在題目上，缺少了感性認知模塊，才得到錯誤答案. 筆者為加深學生對該問題的理解，糾正錯誤的認識，特意設計制作了演示高低蠟燭哪只先熄滅的實驗.

首先準備一高一低2只蠟燭，保證燭芯的長度相同，蠟燭粗細材質都相同，1張白紙. 然后將一高一低兩蠟燭放在白紙上，點燃后罩上大燒杯，觀察現象. 學生驚奇地發現，約5 s后，高的蠟燭先熄滅，又過了幾s，低的蠟燭才熄滅. 如圖1所示.

(a)　　　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　　(c)圖1　蠟燭熄滅過程

這一幕給學生留下了深刻的印象，推翻了以前根深蒂固的錯誤認識，這時再讓學生舉一反三靈活運用之前知識猜想分析原因. 原來，相同溫度下CO2密度確實比空氣大，但燃燒過程中產生的CO2很熱，氣體熱脹冷縮使CO2密度減小，并小于空氣密度，因此CO2會向上聚集，所以位置高的蠟燭先熄滅. 這也很好地解釋了發生火災時為什么人們要趴著逃離現場.

3大小氣球變化問題

有關小氣球PK大氣球的問題，是學習氣壓相關章節時出錯率極高的問題，取2個相同的氣球(為便于觀察，可用不同顏色)，將它們分別吹成一大一小的形狀，將兩氣球的氣嘴分別套在空心筆桿兩端，為保證氣密性良好，可用棉線捆扎連接處，整個過程捏緊兩氣球的氣口，如圖2(a)所示.

(a)

(b)圖2　2個氣球連通前后的變化

如果此刻松手，兩氣球的大小會如何變化？學生都認為此實驗類似于連通器原理，大氣球中的氣體會流入小氣球中，最終兩氣球一樣大. 但實驗結果卻出乎大家意料，因為在兩手同時松開后，大氣球會更大，小氣球會更小，小氣球把大氣球吹起來了，如圖2(b)所示. 與學生的猜想截然相反.

這節課讓學生重新認識了物理實驗的重要性，通過實驗才能歸納總結規律，走出誤區. 此時筆者趁熱打鐵引導學生思考產生此實驗現象的原因，有的學生提出：生活中，吹氣球時開始比較費力，必須一鼓作氣猛力地將它吹開，吹起來以后，就感覺不那么費力了，難道說氣球吹大以后氣壓反而會減??？小氣球內的壓強會比大氣球內的壓強更大嗎？接著，學生們紛紛提出自己的猜想. 最后筆者再來解釋其中的物理原理，原來平時吹氣球時氣球內外壓強是不等的，由于橡皮筋的彈力，球內氣體壓強大于外界壓強，氣球在膨脹時會產生向內收縮的彈力，這時氣球對球內空氣有壓縮的功效，小氣球表面張力大，收縮力大；大氣球表面張力小，收縮力小. 氣體內部壓強=外界大氣壓+氣球球膜收縮產生壓強，因此小氣球內的氣壓比大氣球內的氣壓大，氣體不斷從小氣球流入大氣球，直到兩邊氣壓平衡為止，也才會看到不同于人們思維定式的現象.

4發電機輸出波形問題

在物理選修3-2的教材中，描述交變電流的變化規律時這樣寫道：“對于圖3所示的發電機，根據法拉第電磁感應定律可以導出，它的電動勢e隨時間變化的規律為e=Emsinωt，按正弦規律變化. ”

(a)　　　　　　　　　　　(b)圖3　交流發電機的示意圖

讀完這一段教材，學生會理所當然地認為發電機輸出波形就是正弦波，甚至許多教師也存在同樣的認識，教師在講解時直接告訴學生手搖交流發電機輸出的是正弦波，即正弦函數的圖像. 筆者利用實驗室的手搖交流發電機和電壓傳感器做了該實驗，意在糾正這種說法. 實驗步驟如下：將電壓傳感器接入數據采集器，并與發電機輸出端并聯，如圖4所示，設置采樣頻率為200，緩慢搖動發電機模型的手柄，觀察電壓窗口內的圖像變化，如圖5所示，發現產生的波形并不是正弦波而是三角波.

圖4　實物連接圖

圖5　電壓變化圖

改變搖動發電機的速度，還能得到發電機轉速與交流電頻率之間的關系如圖6所示.

圖6　發電機轉速與交流電頻率的關系

隨著搖動速度增大，頻率增大；速度減小，頻率減小，但是輸出的波形仍舊是三角波. 其實仔細閱讀教材，發現造成此誤區有3個原因：1)手搖交流發電機使用的永久磁鐵是蹄形磁鐵，不能產生勻強磁場，教材中展示的卻是能夠產生勻強磁場的永久磁鐵. 2)實驗用的手搖交流發電機的轉子是多匝線圈，教材中的轉子是單匝的平面線圈，并且線圈整體處于勻強磁場中. 3)手搖交流發電機的速度用手不好控制，不能達到完全勻速的狀態. 因此得到產生正弦交流電的必要條件是平面單匝線圈在勻強磁場中勻速轉動. 筆者使用DIS實驗系統研究發電機的輸出波形(對于沒有DIS實驗系統的學校也可利用示波器來驗證此問題，只需將示波器接在手搖交流發電機的輸出端)，重復上述實驗步驟即可，輸出波形如圖7所示.

圖7　DIS實驗系統輸出波形

5打結問題

在學習摩擦力相關章節時，有許多貼近生活的經典習題，例如“拔河問題”、“打結問題”等，如下面的案例，一根繩子上系有一大一小2個松結，緩慢地拉繩的兩端，問兩結哪一個先收緊？絕大部分學生都認為小結先收緊，因為直觀上感覺手拉繩子的力一定，兩結收緊的速度是一樣的，而小結的圈小，因此小結先被收緊. 筆者做了該實驗，現象卻令學生大吃一驚，如圖8所示.

圖8　繩子大小松結收緊過程

開始時大結先收縮，當大結縮到比小結小時，小結開始收縮，反復這個過程，最終兩結竟同時被收緊而無先后之分. 其實這與摩擦力有關，原來對于小結，繩與繩之間的壓力較大，故摩擦力也較大，如果左側的結較大，當拉繩子時，左側的結由于摩擦力小，故將先收縮，而右側的結由于摩擦力較大而保持原樣. 一旦左側的結收縮到小于右側的結后，左邊結的摩擦力又會大于右側的結的摩擦力，在摩擦力的作用下，該結將暫停收縮，而右側結開始收縮. 如此周而復始，最終兩結將被同時收緊. 學生往往在這種看似簡單的題目上“栽跟頭”，一是缺乏生活經驗和親身體驗的過程，二是不善于觀察和思考. 其實物理問題都是圍繞實驗展開的，只要勤于動手，善于思考，大部分問題都會迎刃而解.

其實此實驗取材方便，操作簡單，在講完本題后，許多學生立即動手自己嘗試，利用身邊的線繩做“打結實驗”. 這樣一來，該實驗充分調動了學生的積極性，在動手過程中滿足了學生的好奇心，通過實驗的真實的感受，體驗了成功的喜悅，一舉多得.

6氣體擴散問題

九年級物理分子熱運動中，有氣體擴散的演示實驗，如圖9所示.

圖9　氣體擴散實驗

2個瓶子的瓶口相對，之間用1塊玻璃板隔開，抽掉玻璃板后，會觀察到2個瓶子內的氣體混合在一起，最后顏色變得均勻. 由于擴散現象也可以發生在液體之間，于是筆者準備了幾個規格相同的廣口瓶、厚紙板、黑色墨水、開水、自來水，在班里進行了實驗. 首先往裝滿開水的廣口瓶中滴入黑色墨水，用厚紙板蓋在廣口瓶上，并將其扣在另一個裝滿自來水的廣口瓶上，如圖10所示.

圖10　液體擴散實驗

小心地抽掉夾在兩瓶子之間的厚紙板，這時所有學生都認為被染成黑色的水應該會立即與下面瓶子里的水混合，但實際觀察到的實驗現象是：兩瓶里的水并未混合，如圖11所示.

圖11　用熱的液體做擴散實驗

緊接著筆者又做了對比實驗，往裝滿冰水的廣口瓶中滴入黑色墨水，蓋上紙板后倒扣在另一個裝滿自來水的廣口瓶上，抽掉紙板，學生發現這一次兩瓶中的水混合了，不覺地驚嘆起了這個神奇的現象. 對比圖如圖12所示.

圖12　用冰水和熱水做擴散實驗的對比圖

此實驗有趣地揭示了奇妙的物理原理，因為它打破了人們常規的思維定式，許多人都認為被染黑的水一定會與下面瓶子的水混合，但通過實驗卻觀察到了不同的現象. 原來其中原理還與水的溫度有關，如果往冰水里滴墨水倒扣以后就會立即看到擴散現象，而往熱水里滴墨水再倒扣，熱水就不會與下面瓶子的水混合，因為除了擴散現象這里面還包含了對流的相關知識，對流是指液體或氣體中較熱部分和較冷部分之間通過循環流動使溫度趨于均勻的過程，對于液體來說，溫度較高的部分會上升，溫度較低的部分會下沉，從而互相混合. 在實驗中，被染成黑色的冰水與底下瓶子里的水慢慢混合，這就是液體的對流現象. 而熱水由于溫度高還會在上面，不會立即與下面的水混合，過一段時間后，熱水逐漸降溫，兩瓶水之間溫差縮小，才會觀察到擴散現象.

7結束語

理論和實踐的結合才是物理教學的本質，物理實驗能為學生的學習提供豐富的感觀材料，使學生對物理事實獲得具體的、明確的認識，這樣不僅能培養學生的實踐能力，也強化了學生對知識的理解和記憶. 雖然實驗時的發現會與當初的想法有些偏頗，但這正是探究性教學所追求的目標. 利用物理實驗，帶領學生走出思維誤區是最直接有效的方法.

參考文獻：

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[5]楊介信，張大同. 中學物理實驗大全[M]. 上海：上海教育出版社,1996.

[責任編輯：尹冬梅]

Using physics experiment to avoid misunderstanding

CHENG Fang-hui, ZHANG Yu-xia

(Xinjiang Building No.2 Middle School, Urumqi 830000, China)

Abstract:Five mostly misunderstood cases, such as candle extinguishing problem, balloon size-changing problem, output waveform of electric generator, knot tying problem and liquid diffusion problem, were presented. The objective phenomena were showed by demonstrating experiments, the essence of each experiment was analyzed. By these experiments, students’ misunderstandings about these cases were corrected, and the significance of experiment teaching was shwon.

Key words:density; gas pressure; alternating voltage; friction force; diffusion

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)04-0018-05

作者簡介：程芳卉(1990-)，女，新疆烏蘇人，新疆生產建設兵團第二中學助理實驗師，學士，從事物理實驗教學工作.

收稿日期：2015-01-05