自制實驗演示儀——探究光與熱的關系

呂啟剛 王文斌

教學背景

光與熱關系實驗，是通過觀察光（主要指太陽光）的強弱變化對氣溫變化的影響，從而得出光的強弱和溫度的關系。然而在實際教學中，如果碰到陰雨天，實驗就無法進行。即使有太陽，但如果太陽時隱時現或有較大的風，都會影響實驗的效果和數據的準確性。其實，許多光源在發光的同時也在發熱，比如白熾燈、蠟燭等，因此我們可以在教學實驗中用白熾燈代替太陽來作光源。

我們可以自制教學儀器：用光線傳感器檢測光線的亮度;用溫度傳感器檢測溫度;用鏡子把燈泡的光反射到板上，使傳感器的亮度更高;掌控板則可以實時顯示亮度和溫度的值，而且還能通過網絡在電腦屏幕上顯示。自制光與熱關系實驗演示儀不僅解決了前面的諸多問題，還可以使學生更直觀地觀察光線和溫度的變化，提升綜合素質。

教學目標

知識與技能 了解許多光源在發光的時候也在發熱;知道太陽是地球最大的光源和熱源;認識光線的強弱和溫度的關系，光越強溫度越高，光越弱溫度越低。

過程與方法 能對光和熱的關系作出推測;通過實驗觀察，對比探究光與熱的關系;整理獲得的信息，根據實驗的數據繪制出折線統計圖;自覺地將實驗結果和假設進行對照。

情感態度與價值觀 認識到自然事物之間是有聯系的，自然事物的變化是有規律的;了解人們只有掌握了自然規律才能更好地生產和生活;理解實事求是地記錄觀察數據是科學探究的重要方法。

教學重點與難點

教學重點 親歷實驗過程，能通過數據比較和分析，解釋光和熱的關系。

教學難點 細心觀察，耐心記錄數據，繪制出比較準確的折線統計圖。

教學準備

一、光與熱關系實驗演示儀的制作

1.準備材料

掌控板1個，掌控板擴展板1個，溫度傳感器1個，光線傳感器1個，底座可以旋轉的鏡子5個，白熾燈和燈座各1個，開關1個，亞克力板2塊，木料、螺絲帽若干。

2.搭建裝置結構

運用木料和螺絲帽搭建木質支架，然后將5面底座可以旋轉的鏡子固定在木質支架上，便于自由選擇使用幾面鏡子進行反射。光源采用發熱量較大的100W白熾燈泡，燈泡前面架設一塊白色亞克力擋板，白色一面增強反光，黑色一面阻擋光線透過亞克力板。儀器最后支起一塊白色屏幕，可以清楚地辨別不同數量鏡子反射的光線的強弱，屏幕中間固定一個光敏電阻傳感器和熱敏電阻傳感器，可以迅速感知亮度和溫度的微弱變化，兩個傳感器通過數據線分別連接掌控板的P1和P2，從而在掌控板屏幕上清楚地顯示亮度和溫度的數據。儀器具體結構如圖1。

3.編寫程序

硬件準備完畢，就需要編寫程序來實現功能。掌控板的程序如圖2，需要實現的主要功能有Wi-Fi聯網、亮度溫度獲取，并在掌控板的OLED屏中實時顯示亮度溫度，同時發送數據到TinyWebDB服務器。

掌控板通過Wi-Fi可以把數據發送到TinyWebDB服務器，在網上實時存儲亮度和溫度的數據，然后用Mind+在實時模式下讀取TinyWebDB服務器中的數據，每隔一秒讀取一次，在舞臺上實時顯示，并同步存儲到列表中。Mind+實時模式下的程序如圖3。

等實驗結束，教師還可以把列表中的數據導出，再復制到Excel中，生成更加豐富的統計圖表，便于學生觀察對比。

二、準備教學課件

教師在網上查找光與熱關系資料，下載人工孵化小雞相關圖片及短視頻《自制雞蛋孵化器》，結合這些資料制作教學課件。

教學過程

一、情境導學

教師播放短視頻《自制雞蛋孵化器》。

師：孵小雞的主要條件是什么？為什么孵化箱里面有一盞燈？是拍攝時用來補光的嗎？

學生討論孵化箱里燈的作用。

師：生活中，燈泡一般是用于照明的，那么燈泡發光和發熱有什么關系呢？你的猜想是什么？

學生討論交流，對光與熱之間的關系提出假設。

二、初步感知光與熱

教師出示實驗裝置上的100W白熾燈，邀請兩位學生上講臺體驗。學生把手放在靠近燈泡的位置（注意千萬不能碰到燈泡，燈泡打開后會很熱，容易燙傷手），教師打開燈，讓學生感覺一下手心溫度的變化;再引導學生將手由遠及近慢慢靠近燈泡，感知手心溫度的變化。

學生得出結論：燈泡通電后會發光，發光的同時也在發熱，離燈泡越近溫度越高，碰到白熾燈可能還會燙傷人。

三、深度實驗探究

師：光線的強弱跟溫度的關系具體是什么樣的呢？我們用儀器和數據說話。老師特地制作了一個實驗儀器——光與熱關系實驗演示儀，有了它，我們可以直觀地觀察光線和溫度的數據變化。

1.操作實驗

教師請學生上臺操作，并輔助其開展實驗。先用1面鏡子對準傳感器，稍后是3面、5面。等溫度上升到穩定狀態，關閉燈泡，停止實驗，溫度下降。

師：接下來我重新邀請兩名同學來操作實驗，其余同學請根據屏幕上出現的數據填寫實驗記錄，稍后繪制折線統計圖。

教師隨機邀請兩名學生，重復操作實驗，先用肉眼觀察白板上不同數量鏡子反射的光線強弱的變化，再通過大屏幕觀察光線強弱和溫度高低的數據變化，如圖4。學生依據屏幕顯示記錄數據，并嘗試繪制折線統計圖。

2.數據導出與整理分析

教師導出掌控板中的數據，然后復制到Excel表中，并展示給學生觀察分析。

師：通過這組實驗數據，你發現了什么規律？結果和你的假設一致嗎？

學生討論交流。

教師將Excel表中數據進行整理，根據實驗數據繪制豐富的折線統計圖，幫助學生更加清晰地看到數據變化走勢，明確光線強弱和溫度高低的關系。

師：請大家看一看、比一比，分析自己畫的折線統計圖與Excel生成的折線統計圖的區別。

學生觀察、對比、分析，若有錯誤之處及時修改訂正，保證實驗結果的準確性。

四、交流拓展

師：通過這節課的學習探究，你明白了什么？有什么收獲？

學生交流分享，進一步鞏固知識。

教師小結：光和熱改變了我們的生活，課后大家可以通過觀察生活、網上查詢等途徑，收集古今中外和現實生活中巧妙利用光和熱的例子，整理成文檔，我們相互交流分享。

教學反思

光與熱關系實驗演示儀使用了靈敏度較高的電子元器件，不管是溫度還是亮度，一切用即時生成的數據說話，說服力強，可靠性高，發揮出信息技術在輔助科學實驗上強有力的優勢。在科學實驗過程中，學生既可以比較表格中即時生成的有關亮度和溫度的數據，也可以觀察經過加工處理的折線統計圖，有助于學生更好地應用數學知識，比較和分析數據，有效檢驗自己的假設，教學效果十分顯著。本課例涵蓋了科學、數學、信息技術等學科知識，發揮了STEAM教育的優勢，提升了學生的創新思維、實踐能力和綜合運用學科知識的能力。