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根据逻辑链与思维链设计物理实验

2022-03-17沃诚

江苏教育·中学教学版 2022年2期
关键词:电容科学探究物理实验

【摘 要】物理实验是物理课堂,特别是新授课中非常重要的一个环节。新授课中物理实验的设计要符合本节课的逻辑链和学生的思维链,以人教版高中物理教材“电容器的电容”为例,教师可以通过引课实验创设情境,借助对比实验、创新教具等方法设计核心实验,布置课后实验巩固所学知识,在科学探究的过程中提高学生解决问题的能力,培育其核心素养。

【关键词】科学探究;逻辑链;思维链;物理实验;电容

【中图分类号】G633.7  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009(2022)11-0053-04

【作者简介】沃诚,江苏省扬州市扬州中学教育集团树人学校(江苏扬州,225000)教师,一级教师。

物理新授课不仅要做实验,更要重视实验的逻辑性,培养学生“提出问题”的能力,引导学生发展逻辑性思维。教师要结合对应的物理实验现象,在探究式教学中以新知识促进学生更新与完善已有的认知结构。

一、巧设物理实验,匹配邏辑思维链

笔者以人民教育出版社2019年版高中物理教材第三册“电容器的电容”一课的教学为例,说明如何在新授课上巧设物理实验,匹配学生的思维链。在设计科学探究时需要考虑以下两个方面:一是这节课的逻辑链,它承载着教学中核心素养的目标要求,知识的多少、呈现的方式、难易程度都受它的制约;二是学生的思维链,它具有主观性、隐蔽性、非结构性,它的产生、发展与完善,往往决定着学生科学探究能力提升的程度。[2]基于此,实验设计需要考虑以下几点:(1)引课实验要能够建立本节课的主线,使学生产生认识冲突,便于提出问题;(2)在重难点处设计核心实验,要使学生能通过直观现象不断验证自己的猜想,同时要考虑实验的时效与方便程度;(3)课后动手实验要考虑知识的综合性、时间和经济成本、操作的复杂度等因素。

基于以上思考,笔者设计了“电容器的电容”一课教学的逻辑链、思维链及实验设置。(见文末表1)

二、教学过程及设计意图分析

1.以引课实验激发学习的兴趣和动力。

【引课实验】LED小灯泡发光实验

教师演示,先用电源对LED小灯泡供电,再用新元件对LED小灯泡供电。(见图1)

师:同学们观察到什么现象?

生:用电源对LED小灯泡供电时,小灯泡持续发光且亮度不变。用新元件对LED小灯泡供电时,小灯泡能发光但亮度逐渐变暗。

师:针对这一现象,你们有什么疑问?

生1:新元件的结构是什么样的?

生2:新元件为什么能使小灯泡发光但亮度逐渐变暗?

师:今天我们就一起来学习新的电子元件——电容器。

【设计意图】用引课实验创设情境,引起学生的好奇心,激发学生研究的兴趣和动力。同时锻炼学生提出问题的能力,为接下来的教学做铺垫。

2.以核心实验突破难点突出重点。

【核心实验1】演示定量观察电容器的充、放电现象。

教师提供改进后的实验电路与器材。(见图2)

实验过程:(1)对电容器充电,每隔4s记录一次电流、电压值;(2)待电压保持稳定后,使电容器放电,每隔4s记录一次电流、电压值;(3)在坐标纸上描点作I-t、U-t图像。(见图3、图4)

师:电容器充电和放电的过程中,电流、电压是怎样变化的?

生:电流由大变小;电压先由小变大,再由大变小。

师:电容器所带电荷量如何变化?能量如何变化?

生:充电过程中,电容器所带电荷量增大,电能转化为电场能;放电过程中,电容器所带电荷量减小,电场能转化为其他形式的能。

【设计意图】物理学中常用实验归纳的方法来总结规律,借助图像来分析实验数据并总结规律,可以让学生经历完整的实验探究过程,提高其制定计划、设计实验、进行实验、收集证据、基于证据做出解释、交流等能力。

【核心实验2】演示不同电容器在同一电压下储存电荷的本领。

教师在实物投影下用16V电压先给1000μF的电容器充电并短接放电,再给4000μF的电容器充电并短接放电。

师:这两种情况下,电火花大小怎么样?这说明了什么?

生:第二次火花大,说明第二次电容器储存的电荷多。

【设计意图】通过对比实验,学生意识到不同电容器储存电荷的本领不同,需要用物理量来描述这个本领。

【核心实验3】探究同一电容器在不同电压下储存电荷的本领。

教师在实物投影下用16V电压给4000μF的电容器充电并短接放电,再用10V电压充电后短接放电。

师:这两种情况下,电火花大小怎么样?这说明了什么?

生:电压大的时候电火花大,说明电容器储存的电荷多;电容器储存电荷的本领除了跟电容器自身有关,还与电压有关。

师:请同学们思考,能否仅用电容器所带电荷量表述电容器储存电荷的本领?如果不能,我们可以使用什么方法?

【设计意图】人教版教材强调电容概念的建立过程,新增了“探究电容器两极板间电势差与所带电荷量的关系”的实验。在教学过程中,学生会提出问题“为什么不能直接用电容器所带电荷量描述电容器储存电荷的本领”,这就为后续的教学奠定了基础。

【核心实验4】用简易恒流源探究电容器两极板间电势差与所带电荷量的关系。

实验原理: 因为没有直接测量电荷量Q的工具,所以使用“转换法”以及新装置“恒流源”。恒流源是在一定的工作条件下能提供恒定电流的电源。因为I一定,根据Q=It可将不易测量的电荷量Q转换为容易测量的时间t。因此可通过探究U与t的关系得到U与Q的关系。

师:同学们,你们认为U跟Q之间最简单、最有可能的定量关系是什么?

生:U/Q是定值。

实验过程:(1)对2200μF/50V的电容器A充电,每隔3s记录电容器两端电压;(2)放电后再充电,做3次取平均值并记录数据;(3)电容器换为1100μF/50V的电容器B,重复以上步骤;(4)将两个电容器得到的数据作U-t图像。(见图5)

师:观察图像U和t是什么关系?

生:在误差范围内,U和t成正比。

师:如何得到U和Q的关系?关系是什么?

生:因为Q=It,且I恒定,所以只需将横坐标t乘电流I,可得Q。即将U-t图像转换为U-Q图像。(见图6)

师:根据U-Q图像,能得到“同一电容器的U/Q是不变的;不同的电容器,U/Q一般不同”的结论。用U/Q还是Q/U表征电容器存储电荷的本领更好,为什么?

生:用Q/U更好,因为Q是结果,影响因素为电压和电容器自身。

【设计意图】教科书上的探究方案仅能证明同一个电容器Q/U是不变的,无法比较不同电容器之间的关系。因此,笔者通过自制创新教具“恒流源”和物理思维方法“转换法”,突破了本节课的难点。

3.以应用实验,体现学习的价值。

【应用实验】课后自制电磁炮

师:同学们能说说电容器在生活中有哪些应用吗?

生:手机和电脑需要电容器;电动汽车里有电容器;航母上的电磁弹射,军舰上的电磁炮、激光武器。

师:(播放自制电磁炮视频)有兴趣的同学可以课后动手做一做,并思考两个问题。(1)用电源与电容器供电,所呈现的现象不同说明了什么?(2)可以用什么方法增加炮弹射程?

【设计意图】引导学生意识到技术应用的前提是科学理论,凸显学习和研究的价值。在自制电磁炮及实验过程中,使学生认识到电容器和电源的异同,解决学生的疑惑,并为后续的学习打下基础,给学生留以进步的空间。

三、结语

为了让学生掌握正确的物理观念,不断提升科学思维能力,培养科学态度与责任,教师应设计好环环相扣的实验,多组织探究式学习,以推动学生牢固掌握物理概念和物理规律。

【參考文献】

[1]廖伯琴.普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)解读[M]. 北京:高等教育出版社,2020.

[2]王强.逻辑思维链在物理概念建立过程中的应用——一次师范生讲课比赛后的反思[J].物理教学,2021(7):16-18.

[3]沃诚.简易恒流源的制作与调试[J].实验教学与仪器,2021(7/8):95-98.

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