(初中物理实验)对奥斯特实验和焦耳定律实

对奥斯特实验和焦耳定律实验的改进物理学是一门实验科学，研究物理学的根本方法是观察和实验。在物理教学中教师要做大量的演示实验，演示实验的实验效果往往是一节课能否提高课堂效率的关键。笔者在多年的教学中对教材中的演示实验做了大量的改进，现列举两例供同行参考。一、奥斯特实验1．实验缺点如图1是初中物理教材中《电流磁场》一节的奥斯特实验图。奥斯特实验在历史上具有划时代的意义，在1820年奥斯特做此实验前，人们对电和磁的认识一直是单独的、孤立的，奥斯特实验使人们第一次认识到电和磁的联系。从教学上讲，能否做好奥斯特实验是学生能否学好电磁学的关键。但教材对此实验的设计效果并不明显，用导线将电池的正负极直接连接并放在演示磁针的上方，会发现磁针几乎不动，很多教师采用将演示磁针换成微型磁针来做此实验，通电后磁针转动但转动幅度仍不大。此种改进虽勉强可行，但降低了实验可见度，教师的演示有蜻蜓点水之感；再者用电池做电源，由于发生短路，用过几次就要更换电池，造成较大的浪费，因为学生电源有过载保护，也无法用学生电源代替电池做实验。2．实验改进如图2是笔者对奥斯特实验的改进图。从五金商场购置直径为1mm的漆包线约20m长，绕制边长约为25cm的方形线圈abcd，将线圈固定在木支架上，用小刀或砂纸将线圈的两个接头A、B上的绝缘漆刮掉。用学生电源做电源，考虑到漆包线较硬，为了便于连接，同时也为了节约时间，可事先在软导线C、D上各接一个鳄鱼夹。实验操作将线圈、支架放在水平桌面上，演示磁针如图放置，当磁针静止时调整线圈的方向使bc边与磁针指向平行。连接A和E、B和F，闭合开关，磁针发生明显偏转，S极向里转，N极向外转，转过90°，由于惯性磁针来回摆动几次之后在与线圈ab边垂直方向静止；断开开关，磁针又转回到开始位置。实验形象地证明通电导体周围存在着磁场。将鳄鱼夹对调（A接F、B接E），闭合开关，磁针仍发生明显偏转，但转动方向和原来相反。实验证明，电流的磁场的方向与电流的方向有关。实验原理改进后实验之所以取得了明显的实验效果，是因为小磁针上方有多条直导线且电流的方向相同，小磁针受到了多条直导线的电流的磁场的作用；事实上，小磁针在线圈abcd的内部它受到了整个线圈的磁场的作用（这一点在教学中不要向学生指明）。注意事项学生电源选用直流档次2～4V，电压不要过高，绕制线圈时线圈圈数不要过少。否则，通电后会发生短路（学生电源有过载保护）而影响实验进行。二、焦耳定律实验1．实验缺点如图3是九年义务教育初中物理第二册《焦耳定律》一节的实验装置图。现摘入教材中设计的实验步骤如下：①接通电路一段时间，比较两瓶中煤油哪个上升得高。实验结果是：甲瓶中煤油上升得高。这表明电阻越大，电流产生的热量越多。②在两玻璃管中的液柱降回到原来的高度后，调节滑动变阻器，加大电流，重做上面的实验，通电时间和前次时间相同，在这两次实验中，比较甲瓶（或乙瓶）中的煤油哪次上升得高。在第二次实验中，瓶中煤油上升得高。这表明电流越大，电流产生的热量越多。③实验表明，通电时间越长，瓶中的煤油上升得越高，电流产生的热量越多。笔者根据上述步骤，利用课余时间做过多次实验，发现实验中液柱上升很慢，在课堂上要完成上述步骤①还勉强能完成，但要完成步骤②、让升上的液柱降下来再上升进行观察比较，一节课难以完成任务。所以多年来学校实验室配置的这一器材成为一种摆设，为了完成教学任务，很多教师对这一节课的教学处理常常是变做实验为讲实验。2．实验改进材料与制作如图4，找三个相同大小的塑料盒，分别将三条电阻丝R1、R2、R3密封在塑料盒内，外留两个接线柱，使得R1＞R2＝R3，在塑料盒的两端插入玻璃管，并给玻璃管接上橡皮管。将两个U形玻璃管、开关S、电阻R固定在演示板上。用橡皮管将玻璃管和U形玻璃管连接起来，用导线将各接线柱做如图连接。实验操作①打开夹子e、f，向两U形管中加水，并使两管中的水面相平，为了便于观察可事先将水染红。②用夹子e、f将橡皮管夹住，断开开关S，将接线柱a、d接到电源正负极上，发现两管中红色的水柱很快上升，A管中的水位上升的较高。说明在电流、时间一定时，电阻越大，电流产生的热量越多。③断开电源，并打开夹子e、f，水位恢复初始状态。④用R3盒换下R2盒，闭合开关S，将R连入电路，再将a、d连入电源的正负极，发现两管中的水位很快上升，A管中的水位上升得较高。说明在电阻、时间一定，电流越大，电流产生的热量越多。优点及原理经过上述的改进后，可在很短的时间内完成实验，并且实验直观、形象，学生可以通过观察、比较红色水柱的高低来比较电流产生热量的多少。实验改进是转换法思想的典型应用。在固体、液体、气体中，相同条件下，气体膨胀最快、最大，当电阻丝中有电流时，电阻丝的温度升高，使塑料盒内的空气受热膨胀，气体的膨胀又使得U形管内的水位发生了变化，正是这种转换，使我们在短时间内取得了良好的实验效果。