低成本 高智慧 深探究(二)

选自《教学仪器与实验》2006年第3期 浙江省富阳中学 赵力红

2.引导学生开展课题研究

课题研究属于研究性学习,是指学生在教师指导下,从自身生活、社会实践和科学实验中选择和确定研究专题,以类似科学研究的方式主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。针对高中物理学习的特点和学生的兴趣,我们选择身边的低成本实验为切入口进行课题研究,取得了很好的教学效果。现择两则说明。

【第一则】水果生电的探究

水果(苹果、橙子、橘子、西红柿等)中含有大量的水果酸,是一种很好的电解质,在水果中插入两个电极,也会像化学电池一样能产生电流。这非常适宜于在电学学习中指导学生开展课题研究。我们曾多次引导学生自己寻找材料(各式水果、电极和电表),设计实验方案。

如有的研究小组选用的材料:两枚镀锌的钉子,两片约10cm长的铜片,几根导线,两小块黏土,4只电线夹子,几只大小不一的苹果(或其它水果),不同量程的电流表(其中一种是微安表,即灵敏电流表G)、电压表、发光二极管(或者圣诞音乐卡片)。进行的步骤如下(以苹果为例):

(1)发现并提出问题

苹果为什么能产生电流?一只苹果能产生的电流大约多少?猜一猜:苹果电流的大小可能与哪些因素有关?

(2)设计实验,制定方案

教师将学生提出的各种猜想写在黑板上,然后全班同学设计实验,证实哪些猜测是正确的。每组可选定一个猜测并设计相应的实验方案。

(3)实验操作和记录数据

各组通过反复设计实验方案,记录了数据。以下是某小组实测的结果,供参考。

①研究苹果电池电流、电压与苹果大小的关系

让学生分小组进行实验操作:把苹果、钉子、铜片、夹子、导线、电流表(电压表)按图1所示接好,每测完一次电流和电压,从苹果上切去1/4,见表1。

图1
图1
表1
苹果大小 1 1/4 1/2 3/4
短路电流I(μA) 110 105 110 120
开路电压U(V) 0.28 0.25 0.25 0.28
表一图

这说明两电极的大小一定时,一定的时间内和两极发生化学反应的果酸的量是一定的,苹果的大小对其产生的电流(电压)的大小影响不大。

②研究苹果电池电流、电压大小与电极插入深度的关系

逐步将钉子、铜片插到苹果中去,每插入一个深度,读一次电流和电压的值,见表2。

表2
电极插入深度h(cm) 1 2 3 4 5 6
短路电流I(μA) 50 70 100 130 160 180
开路电压U(V) 0.12 0.18 0.22 0.27 0.30 0.34
表二图

这说明插入苹果中的两个电极增大,电极与果酸的接触面积增大,反应变得强烈,产生的电流(电压)相应增大。

③研究苹果电池电流、电压大小与电极大小的关系

选用宽度不同的铜片,保证每次接入电路时,铜片插入苹果的深度是一样的,见表3。

表3
电极宽度d(cm) 0.4 0.55 0.7 0.9
短路电流I(μA) 90 100 110 115
开路电压U(V) 0.18 0.19 0.20 0.22
表三图

经研究,苹果产生电流的特点是:由于苹果中的果酸均匀地分布在苹果中,它与电极发生化学反应,要从苹果的各个部位慢慢地到达电极附近,所以苹果中的果酸要用很长的时间才能被反应完,相应的电流也要持续很长的时间。故产生的电流只有几十到几百微安,苹果电池两端的电压也只有零点几伏,所以无法驱动诸如电子表、计算器,小电珠等仪器和设备。虽然如此,由于苹果电池产生的电流持续的时间较长,我们可以将多个苹果电池串联以达到驱动仪器和设备的目的。

(4)交流与评价

把各研究小组的实验结论与其他同学进行比较和交流。看看橙子、橘子、西红柿等水果当中哪一种产生的电流较强(结果发现猕猴桃产生的电流最强)。

(5)延伸研究(具体方案从略)

①能否用水果使发光二极管发出光?应该怎么来做?

②能否用水果使音乐卡片上的音乐集成电路发出声音?应该怎么来做?

③能否用水果使电子表走动?应该怎么来做?

④把水果榨成汁,然后将水果汁放在烧杯中进行比较研究。

本课题的材料随处可见,学生很感兴趣,但要研究做得到位并不容易。水果的探究涉及到电学、化学、生物等知识,整个探究穿插观察、猜测、设计、实验、分析、讨论和交流等活动,逐步向纵深发展。最后,同学们用各式水果充当电池,使圣诞卡发出音乐,使电子表不停走动,个个沉浸在探究自然的无限喜悦之中。

【第二则】液体电阻率的测量和研究(下列报告由我校高二研究小组完成)

对物质导电率(如超导体)的研究,是世界性的前沿研究领域。在高二电学实验中,同学们学会了金属丝电阻率的测量。那么,水的电阻率如何测量呢?有哪些因素会影响水的电阻率呢?

2005年11月,我们在老师的指导下,选择常温下水的导电率进行研究。通过研究,可以帮助我们了解液体的特性,带动电学内容的学习,培养我们的实验技能、摄取信息的能力和团结合作的精神。

(1)实验方案的确定

首先要考虑测量电路和容量具。考虑到水是流动性的,同学们选择的容量具有PV管、细玻璃管、针筒和U型管,结果发现,这些管的内径和水柱长度实际很难测量。另外在管的两端安装金属电极也不容易。最后,我们认为长方体水槽最好,安排金属电极和控制水的深度很方便(见图2)。

图2
图2 自制大小不一的玻璃水槽

(2)研究的历程

方案设计好了。我们迫不及待地要进行水的电阻率的测量。这时指导老师陈建旺提示我们:

①电路的设计是否有问题?电流表内接还是外接?滑动变阻器采用分压式还是限流式?

②电极采用铁片、铝片还是用铜片?通过研究,考虑到水的电阻较大,我们采用伏安法(图3)和电桥法(图4)电路。在实验中,出现了许多事先意料不到的现象,为此,我们提出了测量液体电阻时的几点注意事项:

图3
图3
图4
图4

①最好用铜片做电极(铁片易起化学反应)。

②所加电压不能太大,通电时间不宜过长。

③应该读开始出现时的电流值,而不能读稳定后的电流值。这样,我们研究水的电阻率心里就有底了。

第一组:研究富春江江水、自来水、各种品牌纯净水的电阻率(见表4)。

表4
水的样品 电阻率(Ω•m)
富春江水 65
自来水 86
人洲矿泉水 150
秀曼特饮用水 600
娃哈哈纯净水 10000

从表4中发现:水越纯净,似乎电阻率越高(为什么?)

第二组:研究自来水电阻率与温度的关系(数据略,由数据描绘的图线见图5):

图5
图5

第三组:研究电阻率与水中食盐浓度的关系(数据略,由数据描绘的图线见图6):

图6
图6

根据得到的数据,我们对电阻率与水的纯度、温度和浓度的关系从理论上进行了解释(限于篇幅,解释从略)。

(3)制作液体电阻率测量仪

实验过程中,有的同学提出,能否制作一个简易装置,直接读出水的电阻率?并且这种仪器还适用所有液体导电率的测量。想到自己设计制作仪器,我们都十分兴奋,虽然学习紧张,但我们决定放弃所有休息时间,也要制作出自己的仪器来!

图7
图7

我们请教了老师,决定从欧姆表下手。几经反复论证,最终我们确定了测量仪器的电路图(如图7所示)。接着,我们开始了艰辛的测试与制作。跑遍整个富阳城,没有多少我们所需要的电阻。最后,我们到了杭州电子市场,选购了部分适合的器材。对此,我们深深体会了理论上的设计到实际产品的最终制成,是多么大的一个距离!

图8
图8 液体电阻率测量仪(正面)
图9
图9 液体电阻率测量仪(背面)

花费了很少的费用,《液体电阻率测量仪》终于制成!(见图8和图9)我们让它与标准值进行了校对,竟然只有极小的误差!我们体会到了艰辛劳动换来的成功的无比喜悦!

(4)各类液体电阻率的测量和思考

用我们自制的液体导电率测量仪,我们很方便地测量了各种液体———白酒、黄酒、啤酒;雪碧、可乐、橙汁;煤油、色拉油等。只要把待测液体倒入测量仪背面的小方槽,立即能读出该种液体的电阻率。我们有了许多新的发现,如我们发现油类的电阻率几乎是无穷大(难怪变压器里铁芯浸在油里)。我们也有许多困惑,如我们试图测量化学中的碱酸类(如硫酸等)的电阻率,我们的仪器也能用吗?我们碰到许多新的问题。

经过近两个月的研究,我们较圆满地完成了课题任务,我们带着丰收的喜悦召开了结题报告会,会上省特级教师赵老师充分肯定了我们团结合作,吃苦耐劳的精神。在杭州市高中物理课题研究成果评比会上,我们课题以规范性和创新性获得了一等奖第一名,得到与会专家们的好评。

文件下载(已下载 2007 次)

发布时间:2014-2-10 21:29:53  阅读次数:4001

评论

由于网络审查方面的原因,本网站即日起关闭留言功能,若有什么问题可致信站长邮箱:fjphysics@qq.com。