微小形变数字化实验在教学中的应用

张庞 张九春

摘 要：微小形变因其变化小，不容易被察觉，对初学物理的学生来说是一种挑战，而将微小形变数字化，通过数字的变化体现物体发生的微小形变，化抽象为形象，有利于学生物理思维的建构.微型电子秤因其结构简单、实验效果明显，通过简单的设计，能够很好地展现微小形变的过程.

关键词：热胀冷缩;弹性形变;微型电子秤

文章编号：1008-4134（2019）17-0038中圖分类号：G633.7文献标识码：B

在学习温度和弹力的内容时，常采用如图1所示的实验方案演示热胀冷缩和弹力产生的微小形变，该教具简单、操作方便、效果明显.但也存在以下问题：①手的温度和压力都会导致液面上升，实验中两个不确定因素对各自对立的实验存在较大的影响.②热传导让玻璃瓶和液体都发生了膨胀，玻璃的膨胀也会挤压液体使得水柱上升.因此，为了不引起误区，在弹力微小形变中，采用了如图2所示的方案，但该实验方案需要较长时间调整激光的反射角，角度不合适会导致按压桌面时光点移动不明显[1]，且实验需要在较暗的环境中进行，否则光点亮度较低，不利于观察.

如何通过简单的物理实验将微小形变展现出来，使学生可以通过简单的逻辑分析和空间想象能力感受到物体的微小形变，并能准确地区分物体的微小形变是因热胀冷缩或弹力形变引起的.笔者经过尝试，针对实验教学提出两种解决方案.

1 实验方案一：利用微型电子秤显示金属棒的热胀冷缩

实验原理：金属棒受热膨胀会挤压电子秤，通过电子秤的示数变化显示金属棒的微小形变.

实验过程：图3是实验过程中所采用的原理图.实验时将铁棒固定在U型框架的一端，另一端竖直置于电子秤上.将铁棒靠近电子秤的一端轻轻压在电子秤表面上，如图4所示，图（a）可以看到在常温下电子秤此时的示数为14.20g.点燃金属棒下端的蜡烛，经过30s、60s时图（b）和（c）示数分别为20.13g和26.30g，可以看到，电子秤的示数变化明显，金属棒因受热而膨胀.

实验反思与建议：

（1）由于微型电子秤的示数变化明显，轻微的压力或从水平放置改为竖直放置都会引起示数的变化，因此在实验开始前先将电子秤置于竖直挡板处，稍等一段时间后当示数达到稳定，再按去皮清零键使得此时数值为零.

（2）金属棒轻压微型电子秤表面过程要缓慢一些，待示数稳定，再旋紧螺帽固定金属棒.

（3）该实验非常适合将手机连接投屏软件，如利用希沃手机助手，连接好后让学生从屏幕上观察点燃蜡烛时的示数与点燃蜡烛后示数的变化，体验金属棒在加热过程中的膨胀.

（4）实验时可以将金属棒换成玻璃棒，按照上述方法再做一次，观察玻璃棒的膨胀，对比两次实验，体会两者膨胀的不同.笔者换用差不多大小的玻璃棒，如图5所示，初始时为0.87g，30s、60s时分别为4.85g和5.81g.显然在相同的时间内玻璃棒膨胀导致微型电子秤的示数明显小于金属棒的.

2 实验方案二：利用微型电子秤显示木板的弹性形变[2]

实验原理：按压木板会使木板发生形变，通过海绵挤压电子秤，使示数发生变化.

实验过程：图6是实验过程中所采用的原理图（a）和实物图（b）.实验时将微型电子秤水平放置在U型框架上，框架上方放一块结实的木板，木板按压时几乎看不出形变.实验时在木板和微型电子秤之间垫一些软海绵，如图7（a）所示，此时微型电子秤示数为0.22g.将相同的砝码连续相继放在木板上，微型电子秤的示数分别为1.08g、1.75g和2.21g，如图7（b）（c）（d）所示.观察不到木板的形变，但微型电子秤的示数发生了变化.说明有一个向下的力出现了，木板两边有支撑的架子，因此木板不会整体下移挤压微型电子秤，只有中间向下弯曲挤压电子秤，木板发生了形变，微型电子秤的示数越大，木板形变的越厉害.

实验反思与建议：

（1）实验时尽可能选用合适的木板，不宜特别厚，也不能特别薄.过厚的木板形变太小，微型电子秤的示数变化不明显;而过薄的木板，一是容易观察形变，体现不出微小形变.二是形变量过大，容易使得微型电子秤超量程.

（2）微型电子秤和木板之间垫上海绵方便测量形变，但海绵要取适当的厚度，过厚的海绵会导致刚开始微型电子的示数过大，放上物体后木板轻微形变电子秤就会超量程.

（3）该实验结构简单、操作方便、原理清晰，了解实验过程后，可以让学生自行操作，教师将他们操作的过程通过手机投屏的方式展示.

3 结束语

初学者往往对物理有较大的兴趣，但随着学习物理难度和深度的加大，学生对物理模型的建构变得越来越困难，难以理解物理规律的含义，更不会将其应用于不同的场景中解决问题，逐渐对物理失去兴趣，甚至恐惧物理.结构简单、操作方便、原理分析容易的实验可以有效地帮助学生理解概念，思考现象背后的原因和规律，建立起物理模型.微小形变作为学生学习的难点和重点，对其探究还有很多方法可以去尝试和改进.

参考文献：

[1]陈学科.演示微小形变放大的一种新方法[J].实验教学与仪器，2014，31（04）：33-34.

[2]张松俊.微小形变演示仪的创新制作[J].实验教学与仪器，2016，33（10）：47-48.

[3]孙保耕.利用移液管改进微小形变演示器[J].中学物理（高中版），2013，31（6）：50.

[4]丘春燕，吴先球.基于虚拟仪器技术的微小形变远程实验平台设计[J].物理教师，2015，36（3）：50-51. DOI：10.3969/j.issn.1002-042X.2015.03.017.

[5]王文祥，宋艳芝.巧妙显示微小形变[J].中学物理（高中版），2012，30（10）：32.

[6]尤爱惠，陈显盈.利用摄像头演示桌面微小形变的创新实验[J].中学物理教学参考，2016，45（1）：50-52.