互联网背景下中学物理实验的非原创设计探讨

(江苏省常州市第二中学,江苏 常州 213003)

1 引言

气体压强产生机理模拟实验是“气体热现象的微观解释”一课的重要内容。人教版高中物理教材是用豆粒撞击台秤来模拟演示气体压强产生机理的,实验分为三步:(1) 将一颗或者几颗豆粒在台秤上方释放，以演示少量豆粒撞击秤盘产生间断的、不持续的压力;(2) 将100颗或者更多颗豆粒连续倒在秤盘上以演示大量豆粒频繁撞击产生稳定持续的压力;(3) 改变豆粒下落高度以演示平均动能对压力大小的影响。该模拟实验存在以下缺陷:一些豆粒在秤盘上的多次碰撞以及滞留干扰了撞击力的测量,豆粒倾倒速度决定的单位时间内碰撞次数难以控制。那么，该如何改进呢？

2 同行的创意

图1

搜索互联网,笔者发现了几种新的模拟实验设计。对于气体分子撞击容器壁,图1所示装置以大量沙子撞击托沙漏斗进行模拟,图2所示装置以豆粒撞击纸杯弹簧秤进行模拟,图3所示装置以塑料珠撞击圆板进行模拟。这三种设计都有效避免了教材实验中出现的多次碰撞以及滞留，而对单位时间内碰撞次数的控制,图1、图2装置通过改变开孔个数与孔径大小,图3装置以增减塑料珠个数来实现。

图3

相比之下,图1装置制作方便,但沙粒与漏斗间的碰撞不够明显;图3装置操作简单、效果明显,但设备自制困难。综合考虑模拟效果、制作成本等,图2装置更具优势,因此笔者以此为参照制作装置，设计实验。

3 实验的改进

3.1 材料准备

笔者准备的材料如图4所示：

(1) 铁架台;

(2) 比铁架台铁杆半径略大的螺旋弹簧一根，弹簧的长度根据实验的需要截取;

(3) 底部中央开圆孔的纸杯，圆孔半径介于铁杆半径和弹簧半径之间;

(4) 半径约为5cm、中央开圆孔的圆形硬纸板一个，圆孔半径等于纸杯开孔半径;

(5) 白纸，在其上打印长约3cm、宽约13cm的刻度;

(6) 底部分别开3孔和5孔的小饮料瓶各一只，中央孔半径等于铁杆半径,其余2个或者4个孔的半径略大;

(7) 半径为0.46cm的小钢珠1.5kg(约3500粒)。

图4

图5

3.2 器材制作

笔者的器材制作过程如下：

(1)将弹簧下端的几圈穿过纸杯底部的孔以托住纸杯,将带有弹簧的纸杯开口向上穿过铁杆;

(2)在铁杆中段贴上刻度,在刻度下方用绳子将弹簧上端系紧在铁杆上;

(3)将圆形硬纸板粘贴在另一纸杯的底部(使圆孔重合),并开口向下穿过铁杆;

(4) 调整弹簧在铁杆上的系点,使空载时硬纸板恰好在零刻度线位置上,用透明胶带将两个纸杯粘在一起,这样用以测量压力的“纸杯弹簧秤”就做好了;

(5) 将底部开孔的饮料瓶套在铁杆上,把整个装置放入纸箱中(如图5)。

3.3 实验过程

(1) 气体压强产生原因的模拟

抓一把钢珠,在纸杯弹簧秤上方一颗一颗释放,观察纸杯弹簧秤读数，可见少量钢珠不频繁碰撞纸板产生间断、不持续的压力。用手堵住饮料瓶底部孔,装入小钢珠,将手移开,观察纸杯弹簧秤读数可见大量钢珠频繁碰撞纸板会产生稳定、持续的压力。

(2) 气体压强微观决定因素的模拟

固定饮料瓶高度,改变饮料瓶底部孔个数,模拟单位时间撞击单位面积器壁分子数对气体压强的影响;固定饮料瓶底开孔个数,改变饮料瓶高度,模拟分子平均动能对气体压强的影响。

3.4 实验展示方式

(1) 教师演示

如果要在课堂中演示,需要将纸箱正面缺口处用透明的保鲜膜蒙住,以防止钢珠溅出箱外难以收集。教师当堂演示效果震撼,课堂节奏容易把握,但学生参与性不强。

(2) 学生探究

可以将该实验设计为分组实验,让学生自主探究气体压强的微观决定因素。实验探究的方式能充分体现学生的主体性,在实验过程中培养探究意识与能力,但对学生动手能力要求高。

(3) 在教师指导下学生自主观看实验视频

把几千颗钢珠收集并灌装到饮料瓶中需要较长时间,而一整瓶钢珠与纸板碰撞时间仅2～3秒钟时间,可见关键现象持续时间占比很小。因此可将实验拍摄制作成视频,推送到网站、QQ群、微信公众号等平台,学生通过电脑、手机等终端设备自主观看,这样学生可以反复观看关键时段的实验现象,而且可以在课前、课中、课后的任意时间、校内校外的任意地点按需观看。教学时空的突破使得课堂安排更灵活,课堂内容也得以向课外合理延伸。

4 互联网背景下的实验设计

4.1 吸收适切创意

当下,互联网的蓬勃发展使得教育资源越来越丰富,从《中国知网》的期刊文章、视频网站上的录像、论坛里的交流、微信群里的分享中能接触到各种新颖有趣的实验创意，立足学情并考虑制作成本、教师动手能力等主客观因素,选择一个最适切的创意吸收为己用，能使教师站在同行的肩膀上看得更远、做得更好。

4.2 实验设计不可照搬

创意可以吸收,设计却不能简单复制。在设计上述模拟实验的过程中，笔者对原实验主要进行了两方面的改进。在原料准备与器材制作方面,以钢珠替代豆粒,因为豆粒间的动摩擦因数较大,从容器中下落时易卡住而断流;钢珠密度较大,就用强度高的开孔塑料瓶盛装,并在纸杯弹簧秤上加硬纸板；钢珠数量多体积小就将整个装置放入大纸箱中以便收集。在实验展示方式上,将转瞬即逝的实验拍摄成视频,使得学生能更清晰地观察现象,教师更灵活地安排课堂。

5 结论

互联网的发展在丰富学科资源、改变师生关系等方面发挥着越来越显著的作用,实验设计也因此变得更加开放、灵活,在互联网上收集同行们丰富、新颖、精巧的实验创意，进行“本土化”再创造,非原创实验也精彩！