四種新技術(shù)、新材料在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用.doc

四種新技術(shù)、新材料在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用 苗壯 當今時代是一個高新技術(shù)飛速發(fā)展的時代。僅最近30年來，就出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、3D打印和納米材料、石墨烯、碳纖維等大批新技術(shù)和新材料。新技術(shù)、新材料為我們的生活帶來了很多便利，同時也可以有效彌補中學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)有實驗裝置的不足，克服傳統(tǒng)實驗的局限。限于篇幅，本文僅對釹鐵硼材料、超級電容、紅外熱成像儀和3D打印技術(shù)引入中學(xué)物理教學(xué)的必要性和教學(xué)方案做粗淺討論。 釹鐵硼材料在電磁感應(yīng)教學(xué)中的應(yīng)用 釹鐵硼材料，也稱為釹鐵硼磁鐵（NdFeBmag），是20世紀80年代發(fā)展起來的新型永磁材料，主要成分是釹、鐵、硼（Nd2Fe14B）的合金，是目前已知的磁性最強的永久材料，也是最廣泛使用的稀土磁鐵。 人教版高中物理選修-第93頁的“旋轉(zhuǎn)的液體”實驗：在玻璃皿的中心放一個圓柱形電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個圓環(huán)形電極，把它們分別與電池的兩極相連，然后在玻璃皿中放入導(dǎo)電液體，例如鹽水，如果把玻璃皿放在磁場中，液體就會旋轉(zhuǎn)起來1。該實驗設(shè)計思路精妙，不論是演示實驗還是讓學(xué)生自己動手，教學(xué)價值都很高。但筆者在實踐中發(fā)現(xiàn)，該實驗的現(xiàn)象微乎其微，為了改進實驗，可將馬蹄形磁鐵用釹鐵硼磁鐵代替，則實驗效果立即變得明顯。 在做“通電導(dǎo)線與磁體通過磁場發(fā)生相互作用”的演示實驗時，如果像課本中的原理圖那樣，把一段直導(dǎo)線懸掛于馬蹄形磁鐵內(nèi)部，通以直流電，由于普通馬蹄形永磁體的磁感應(yīng)強度低，安培力較弱，導(dǎo)線運動不明顯。過去的改進方法是采用方形線框來代替直導(dǎo)線，然而線框畢竟與課本中的原理圖所示不同，需要教師在講解時繞彎子給學(xué)生做說明。事實上，只要將原理圖中的馬蹄形磁鐵用兩塊釹鐵硼磁鐵代替，而其他裝置保持不變，就可以實現(xiàn)實驗效果。因為磁感應(yīng)強度大，安培力大，無需線圈，只要一根導(dǎo)線，實驗效果就十分明顯。 紅外熱成像儀在物理教學(xué)中的應(yīng)用 任何溫度在絕對零度以上的物體，都會因分子的熱運動而不斷輻射出紅外線。紅外熱成像儀就是通過紅外探測CCD將物體紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)處理后顯示到液晶屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的成像圖。與其他測溫儀器相比，紅外熱成像儀具有非接觸、圖像直觀、響應(yīng)快捷、能反映二維溫度場分布等優(yōu)勢。 20世紀90年代以前，紅外熱成像儀的價格動輒數(shù)十萬甚至幾百萬，普通中小學(xué)根本沒有條件使用。近年來，隨著非冷卻紅外CCD芯片的不斷商品化，紅外熱成像儀的售價大幅下降，目前淘寶上已經(jīng)出現(xiàn)了售價兩千多元的紅外熱成像儀，完全具備進入中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用中的條件。 利用紅外熱成像儀能夠以圖像方式直觀反映溫度場分布的特性，可以將紅外熱成像儀引入初中物理熱傳導(dǎo)實驗。在熱傳導(dǎo)實驗中取消傳熱體上的溫度計或示溫物質(zhì)，直接用紅外熱成像儀對準傳熱體進行觀察，不僅簡化了實驗裝置，而且形象直觀，一目了然。在課堂演示時，可以將紅外熱成像儀與電腦連接起來，將溫度分布圖像投影到大屏幕上供全班學(xué)生觀看。經(jīng)濟型紅外熱成像儀如果沒有電腦接口，可以用一個視頻攝像頭對準紅外熱成像儀的液晶屏拍攝，然后投影到大屏上。 另外，紅外熱成像儀還可以在教學(xué)高中物理選修3-4第十四章電磁波譜一課時讓學(xué)生親眼“看到”紅外線的存在。在學(xué)生探究活動中可以安排學(xué)生體驗全黑環(huán)境下用紅外熱成像儀觀察目標。電路制作活動中可以讓學(xué)生用紅外熱成像儀發(fā)現(xiàn)潛在的電路故障點，體驗紅外線的存在，感受高科技的魅力。 用超級電容做大電流實驗電源 超級電容器，又稱法拉電容器，是一種電化學(xué)電容器。其簡單工作原理是當向電極充電時，電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小，再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍地增加，從而產(chǎn)生極大的電容量2。超級電容的儲能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次，它的突出優(yōu)點是容量超大、大電流放電能力超強、功率密度高、充放電時間短，目前已經(jīng)有1000法拉以上的產(chǎn)品，是人類現(xiàn)在制造出的容量最大的電容器。 人教版高中物理選修-中第92頁的“平行通電直導(dǎo)線之間的相互作用”實驗，相信很多教師都有過失敗的體驗，即便是成功的，現(xiàn)象也不很明顯，離學(xué)生的期望差距很大，實驗效果不理想。要使實驗現(xiàn)象明顯，可行的辦法之一是讓平行導(dǎo)線中的電流大一些，而普通學(xué)生電源的電流容量很小，實際操作時如果不給導(dǎo)線串聯(lián)限流電阻，學(xué)生電源很快進入保護狀態(tài)，筆者改用負載能力最大的磷酸鐵鋰電池實驗，結(jié)果電池也很快就損壞。 為此，筆者試著將一只耐壓5.5V、容量為4F的超級電容器（淘寶售價僅4.5元）代替常規(guī)電源。先通過一個單刀雙擲開關(guān)串聯(lián)一個1.5歐的大功率電阻給超級電容充電，然后將開關(guān)的刀位擲向平行導(dǎo)線一側(cè)，在產(chǎn)生電火花的同時，平行導(dǎo)體在水平方向上拉開，說明豎直方向的平行通電導(dǎo)體間有力的作用。后經(jīng)多次連續(xù)演示，超級電容器平安無事，效果極佳。 在中學(xué)物理實驗中，類似這樣需要大電流的實驗還有很多，比如上文提到的旋轉(zhuǎn)的液體實驗、通電導(dǎo)線與磁體通過磁場發(fā)生相互作用實驗和奧斯特實驗。相信我們只要稍加探索，不難找到用超級電容器解決的辦法。 物理教學(xué)中應(yīng)用3D打印的設(shè)想 3D打印技術(shù)是一種“快速成型技術(shù)”，不同于切削加工，3D打印是“增材制造技術(shù)”。3D打印機內(nèi)裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機上的模型數(shù)據(jù)變成實物。3D打印無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本3。美國新媒體聯(lián)盟發(fā)布的國際教育信息化xx地平線報告認為：在未來45年期間，3D打印將會被廣泛采用，是可能會對教育教學(xué)產(chǎn)生重大影響的新興技術(shù)4。可見，盡管3D打印的教育應(yīng)用還遠未成熟，但有必要對基礎(chǔ)教育領(lǐng)域如何應(yīng)用3D打印進行前瞻性探討。 3D打印能夠快速、低成本、更加真實地呈現(xiàn)物體的真實結(jié)構(gòu)，這對于中學(xué)物理教學(xué)來說有重要價值。物理學(xué)科中有許多宏觀或者微觀的內(nèi)容，如盧瑟福原子模型、波爾原子模型、各種物理裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，學(xué)生理解起來會碰到困難。如果將類似內(nèi)容和抽象物理圖景用3D打印機打印出來，使之變成實物，無疑能夠化解學(xué)生的學(xué)習困難，提高他們的學(xué)習興趣。在條件具備時，讓學(xué)生將自己的想象打印成實物，更能有效地培養(yǎng)他們的創(chuàng)造力并獲得深刻的感知體驗。對于物理教師來說，3D打印的快速成型特性無疑在自制教具領(lǐng)域有重要價值。在教學(xué)實踐中，物理教師往往有許多自制教具的靈感或設(shè)計方案，卻因為材料難找或者造型加工困難而不得不放棄。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，完全可以解決這一困境，3D打印技術(shù)采用逐層疊加的原理進行生產(chǎn)，可以高效、高精度地將教師設(shè)計好的零件直接打印出來，教師所需要做的僅僅是在電腦上將這些零件的三維模型設(shè)計好。 目前，世界各國都對新技術(shù)、新材料的研發(fā)和市場開發(fā)日益重視。隨著新技術(shù)革命的進行，各種行業(yè)將面臨巨大的變革，教育行業(yè)自然不能例外，新技術(shù)必將對現(xiàn)有教學(xué)產(chǎn)生深刻的影響?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)的不斷進步和規(guī)?；a(chǎn)的到來，新技術(shù)、新材料成本會隨之下降，性價比會越來越高。將新技術(shù)、新材料引入中學(xué)物理教學(xué)，可以給學(xué)生提供了解科學(xué)發(fā)展前沿的窗口，引導(dǎo)他們將眼光投向?qū)W校之外的世界，使他們開闊視野，激發(fā)他們對物理學(xué)的興趣和探求的強烈欲望。 參考文獻 【1】物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中物理課程標準實驗教材3-1M.北京：人民教育出版社，xx(1). 【2】凌云，