张家琪 吴 伟

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210000)

·初中园地·

浅谈初中物理系列实验开发
——以蜡烛为例

张家琪 吴 伟

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210000)

实验一直是初中物理教学中不可缺少的一部分内容,实验对于培养初中生的观察与动手能力和探究精神有着非常重要的作用．演示性实验在课堂教学中应用广泛,对于有些物理知识,教师应将课堂演示实验与生活紧密联系,使其变得丰富有趣,又可以让学生在家也能自己动手做实验,让物理能够真正地融入学生的日常生活．本文从生活中常见的小物品——蜡烛为例,探讨教师应如何利用生活中的常见物品进行物理系列实验开发和改进,以此作为开发物理课程资源的一种有效途径．

初中物理;物理实验;物理教学

1 引言

实验是一种科学活动,而物理是一门建立在实验和观察的基础上的学科．教学中的物理实验可分为演示实验、探究实验、验证实验、边教边实验和课外实验与制作等．物理实验是初中物理教学中不可或缺的一部分内容,学校对物理实验的教学也越来越重视．朱正元老先生曾说过“瓶瓶罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”的名言,在经济飞速发展的今天,大部分中学都有了独立的物理实验室和完备的实验器材,这句话似乎已经没有了提及的必要．然而我们总说物理来源于生活也要回归于生活[1],学生学习物理之后,需要掌握的技能绝不应该只是能在实验室里完成实验任务,在日常生活中,他们能否解释一些物理现象,能否向没学过物理的人展示物理的魅力?取材于生活的物理小实验无疑是一个很好的科学传播途径,初中也是培养学习物理的兴趣的关键阶段,初中生在学校观看教师做这类实验的时候都非常兴奋,材料都来自日常生活,他们在回家后也跃跃欲试,[2]如果教学能达到这样的效果,那么观察能力、动手能力和解决问题能力的提高也就不在话下了,学习物理的兴趣自然就越来越浓．

物理教师可以借助一些在常规实验中经常出现的物品开发出针对某一物品的系列小实验,既作为课程资源在课堂上进行演示,又可以作为学生自己动手体验物理实验魅力的系列活动．本文以蜡烛为例,根据物品自身的多重属性,谈一谈开发物理系列实验的步骤．

2 以蜡烛为例的系列实验开发

蜡烛是我们生活中比较容易取得的一种材料,它的主要成分是石蜡,密度比水小,而且难溶于水,易熔化,受热熔化为液态,遇冷时又会凝固为白色固体状,受热易挥发,主要用于照明,在中学物理常规实验中我们经常将它作为光源参与实验,例如探究平面镜成像规律中“浇不灭的蜡烛”、利用蜡烛作为光源探究凸透镜成像的规律．除此之外,根据蜡烛的上述属性,可以设计以下系列实验．

2.1 利用蜡烛的三态设计“隔空复燃蜡烛”实验

苏教版初中物理第2章第3节熔化和凝固中有一个探究石蜡的熔化特点的实验,其中实验的原材料石蜡就取自于蜡烛．在进行这部分内容的教学之前,教师也可以自己录制并播放下面这个有趣的实验“隔空复燃蜡烛”(见图1)引入新课,也为后面的实验探究做准备．

图1 隔空复燃蜡烛

实验器材:蜡烛,打火机,小金属管．

实验过程及现象:点燃一支蜡烛,发现蜡烛顶部出现碗状凹陷,里面有一些蜡烛液,待蜡烛燃烧一会儿之后,将点燃的蜡烛吹灭,吹灭后的蜡烛冒出了青烟,这时候迅速地在蜡烛上方点燃冒出的青烟,发现蜡烛又重新被点燃．

思考与改进:通常情况下蜡烛是固态,开始燃烧后,蜡烛顶端靠近火焰的部分会慢慢熔化成液态,学生可以先观察熔化这个过程．我们点燃青烟就能复燃蜡烛,是因为“青烟”就是石蜡的气态,当石蜡蒸汽被点燃时,温度又升高,将蜡烛再次点燃．但是这个实验由于现象一闪而过,适合将镜头放慢制作成一个演示视频给学生观看．为了更清晰地在课堂上演示出我们点燃的是气态的石蜡,教师可以在点燃蜡烛,用一根短小的金属管连通焰心部分,然后点燃小管的另一头,这时石蜡蒸气也会被点燃．

2.2 利用蜡烛的燃烧设计“会喝可乐的蜡烛”实验

压强是初中物理中非常重要的内容,根据蜡烛燃烧时的一些特性可以设计“会喝可乐的蜡烛”(见图2)这一演示实验来说明大气压强的存在．

图2 会喝可乐的蜡烛

实验器材:高脚玻璃杯,平底餐盘,蜡烛,打火机,可乐．

实验过程及现象:利用熔化的蜡烛液将蜡烛固定在平底餐盘的中央,点燃蜡烛,在餐盘上倒上少量的可乐,把高脚杯倒扣在蜡烛上,观察到随着蜡烛最后的燃烧,可乐被吸进了高脚杯中,此时将高脚杯连着餐盘反转,就收集到了餐盘上的可乐．

思考与改进:这个实验可以用大气压强解释,但高脚杯内气压变小却不仅仅是蜡烛燃烧消耗了氧气的结果．[3]因为蜡烛燃烧不仅消耗氧气,还产生了二氧化碳[4],两者体积大致是相等的,如果只是这样,高脚杯内气体的压强不会变化太大．真正使可乐被吸入高脚杯的原因是在蜡烛燃烧的过程中,空气被加热,有一部分空气先逸出了玻璃杯,在蜡烛熄灭后,高脚杯里的气体快速冷却,气压变小,从而可乐被大气压压入高脚杯内．

2.3 利用蜡烛的密度设计实验“下沉的蜡烛”

蜡烛的密度比水小,这是蜡烛的物理属性,下沉的蜡烛看起来好像是不合理的．利用液体流速与压强的关系就可以设计出“下沉的蜡烛”实验,课堂演示效果明显．(见图3)

图3 下沉的蜡烛

实验器材:一节红色蜡烛,电动搅拌器,透明塑料小桶,水．

实验过程及现象:在塑料桶里装满水,蜡烛会浮在水里,用电动搅拌器在水桶底部搅打,发现蜡烛很快就沉了下去．

思考与改进:用透明的水桶和红色蜡烛是为了使实验的演示效果更明显,如果没有电动搅拌器,可以用手伸入水中不同位置搅动来代替,也有会一定的效果．这个实验还可以将蜡烛和鸡蛋放在一起作为对比实验,鸡蛋一开始是沉在水底,在上方水中搅拌,会看到鸡蛋上浮,与蜡烛的现象刚好相反[5]．

2.4 利用蜡烛的火焰设计“隔岸点火”实验

此实验与气体的流速与压强知识点有关,蜡烛被“隔岸”点燃(见图4),实验现象比较新奇,实验器材和操作也比较简单,可以作为学生小组探究实验在教师的指导下进行．

图4 隔岸点火

实验器材:蜡烛,打火机,白纸,吸管．

实验过程及现象:点燃两支蜡烛,并调整好距离,使他们相邻地固定在纸上,先点燃其中一支,接着用吸管在两个烛芯之间持续吹气,控制好吹气的速度,观察到先点燃的蜡烛把另一支蜡烛点燃了．

思考与改进:当吸管向两个烛芯之间吹气时,流速大压强小,蜡烛外侧空气流速慢,压强大,将一侧的火苗压至另一边,点燃了另一支蜡烛．吸管要选用细长的,吹出的气流不仅集中,而且流速也大．两支蜡烛靠近并且一高一低摆放更容易成功．灯芯要长一点,这样产生的火苗长,在气流变化时偏向更明显．另外,在烛芯之间靠近底部的地方吹气不容易影响蜡烛的燃烧．

2.5 利用蜡烛的形状设计“蜡烛跷跷板”实验

在苏科版初中物理第11章“杠杆”这一节中,就有一个蜡烛跷跷板的小制作．在思考的基础上对这个实验作出了一点改进,使得实验现象更加明显,不仅有利于上课演示,也方便学生取材(见图5)．

图5 改良版蜡烛跷跷板

实验器材:塑料桶,缝衣针,生日蜡烛,打火机,吸管,小刀,剪刀．

实验过程及现象:将蜡烛另一头的烛芯剥出一点儿,用缝衣针在火上烤过后快速地垂直穿过蜡烛的正中间,把这个杠杆架在两只一样高的塑料桶上,演示时,先后点燃两端的蜡烛,就可以看到两个火苗在“玩”跷跷板．

思考与改进:这个蜡烛跷跷板是一个杠杆,跷跷板一开始是平衡的,点燃蜡烛的一端(设为A端),蜡液滴下后A端质量减少,跷跷板会向另一端(设为B端)倾斜,再点燃B端．此时,A端朝上,B端朝下,朝下会使得这端的蜡烛在火焰上方,加速了B端蜡烛的融化,而朝上的A端则没有出现这种现象,于是B端质量快速降低,直到小于A端质量,此时B端上升,A端向下倾斜,导致A端快速融化质量减小,直到小于B端质量,A端又上升．如此往复,跷跷板就会来回跷个不停．在思考后作了一点改进,选择了比较细长的生日蜡烛,首先生日蜡烛比较细,会加快较低的一端蜡烛融化的速度,由此带来的两端质量差会迅速体现出来,这样跷跷板的动作快速而连贯,也不必等待一段时间才有跷动的现象．又考虑到缝衣针如果直接穿过细的蜡烛会比较难操作,而且生日蜡烛容易断裂,在实验中增加了一个吸管做成的蜡烛套,具体操作是取一小段吸管,将吸管套在生日蜡烛中间位置,垂直于轴线穿入一根缝衣针卡住蜡烛,使其不会左右滑动即可．

3 总结与思考

我们总说生活处处皆物理,如果学生在学习物理后却不能对生活中的一些物理现象作出解释,那么无疑会使他们产生一种学物理无用的情绪．如果学生在被问及某部分知识时只记住了几个概念和怎样做这一章的物理题目,甚至都不能举出一些生活中和这些知识有关的现象,那么我们倡导的探究式教学就太失败了．很多简单有趣的物理实验,学生都能在生活中利用随处可见的物品自己动手做一做,在做的过程中体会物理的奇妙．[6]“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,古人的智慧即使放在今天也是具有借鉴意义的,从书本上、课堂上学到的知识如果不通过一定的途径内化为学生自己的知识,那么学习也就失去了意义．

设计一些低成本、易取材的物理实验,用有趣的实验现象激发学生自己动手做实验的兴趣和热情,不仅有利于学生的自身发展,而且他们在家做实验,也相当于一个小范围的科普推广,对于提高全体公民的科学素养也略有助益．本文提及的以蜡烛为主开发的系列物理实验,根据其各自不同的特点,可以作为课堂演示实验、小组探究实验或者课后探究实验等,教师在设计系列实验时也要考虑其利用方式,将物理实验从实验室搬到生活中去．

1 孙留桥.“生活化”物理实验培养学生科学素养的探索[J]. 物理教师,2013,34(8):42-43.

2 蒋玉英.生活化的初中物理实验教学与研究[J]. 中学物理教学参考,2015,44(1):57.

3 蔡同欢.“蜡烛喝水”实验应如何解释?[J]. 物理教师,1999,20(9):6.

4 穆尚礼.用蜡烛做的一组小实验[J]. 物理教师,1999,20(2):19-20.

5 钱永昌,闪芳芳.整合低成本实验资源,开发精彩物理实验——“流体压强与流速的关系”一节相关的低成本物理实验介绍[J]. 物理教师,2013,34(12):48-49，51.

6 张伟,郭玉英.论“非常规”物理实验的教学地位[J]. 课程·教材·教法,2007,27(12):51-56.

本文系江苏省教育科学“十二五”规划2013年度课题“我国探究教学实施中的问题及其对策研究”(D/2013/01/082)成果之一.

2017-04-12)