1、Vol.41 No.10物理教学探讨2023年第1 0 期高中物理教学中融合初阶工程测量的实践以“液面高度测量方法的比较”为例方武增东莞中学松山湖学校(集团)第十三高级中学,广东东莞5 2 3 7 7 9摘要:以“液面高度测量方法的比较”专题学习为例,将高中物理教学与初阶工程测量进行融合教学。分别用直接测量法、浮子推动变阻器测量法、传感电路测量法、电容器电路测量法和LC振荡电路测量法等测量液面高度。不同测量方法的对比,可引导学生在学习物理知识的同时,关注科技与工程,培养学生的物理核心素养。关键词:物理教学;融合;初阶工程;间接测量;液面高度中图分类号:G633.7物理学是人类在认识、利用自然规
2、律,并在生产生活实践活动中产生和发展的学科。物理学家经常为他们的新发现寻找实际应用,工程师则认为圆满地解决技术问题的前提是探索自然规律的相关知识 1 。由于物理学和工程技术应用之间互相渗透,适当将工程内容引人到物理教学的行为值得提倡和鼓励。1高高中物理教学与工程的融合1.1融合的必要性物理教学的需要。对于高中物理教学而言,适当引人工程实例作为教学情境,可以激发学生学习物理的兴趣,促进其对物理定理和公式的理解。同时,也能促进教师对教学资源的整合重组。教学不能拘泥于原有的课程安排,要根据学情重组教学资源。由于物理学已渗透到各项生产生活中,物理教学会很自然地涉及到应用领域。这要求实际教学目标要具体化
3、,知识与应用的关联要有针对性。发展能力的需要。现在的评价方式往往是“纸笔测试”,但纸笔测试成绩并非与能力成正比。从学理上说,能力是指个体为了解决来自某一既定情境群的任何情境而调动一套被整合的资源的可能性 2 。物理教学要重点指导学生理解各种情境中的物理原理和基本科学方法,培养其收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 7作者简介:方武增(1 9 8 5-),男,中学一级教师,主要从事中学物理教学研究。文献标识码:A文章编号:1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)1 0-0 0 6 7-4解决实际问题的能力。因此,将初阶工程测量融合到物理课程设计是较优的选择。为国育才的需要。当前科学技术发
4、展一日千里,一个合格的公民必须要学习掌握先进的科学技术,才能够应对来自各种层面的挑战 3 。所以,将初阶工程融入物理教学中,显得十分必要。1.2融合的原则任何教学模式的实施,都要先调查清楚教师的水平、学生的基础和现有的教学资源,再根据实际情况探索最佳的教学方式 4 。考虑到高中生的认知水平和思维能力,融合工程实例时要适当且简易,不可牵强地引人过于复杂的原始问题。不然,会适得其反。所以,必须从“初阶”入手。物理学习中,“测量”无疑是最初阶的物理应用。这一点集中体现在初、高中课程设计及中、高考试题中,常会考查规范测量与正确读数的问题。2高中物理教学与工程初阶融合的实践测量就是未知量与某一标准的比较
5、,并且将测量结果数据化的过程。现代生产生活中,液面高度的测量非常普遍。有许多贮放液体的容器需要测定液位。液面高度的准确测量为生产提供重要参数,也能体现监测水平。笔者以“液面高度测量方法的比较”专题学习为例,尝试融合高中物理与工程的教学,取得了较好的效果。-67-2023年第1 0 期2.1直接测量法液面高度的检测方法有很多。可通过“标尺”直接测量(图1)。这一点类似于实验室中观察量筒液面高度的变化。但这种方法要求标尺具有“可视化”特点,要求液面要“宽”。量筒测量法则要求容器透明,液面与标尺刻度要“贴着”对比(图2)。29.30m(保证水位)29m28.5图1 水库的液面高度许多电气设备或油罐的
6、材质都不透明,相当于“暗箱”。而且出于安全考虑,罐口都较小,或者直接封口。即使能把“尺”放入,也看不见标度。因此,一般都采用间接测量法,先将“液面变化的信息”转化为“可视化信息”,再通过观测这些“可视化信息”,来了解“液面变化的信息”。下面,介绍几种间接测量法。2.2浮子推动变阻器测量法2.2.1物理原理闭合电路欧姆定律,滑动变阻器原理。2.2.22装备图3 是一种测定油箱内油量的装置。滑杆可以绕固定轴O转动,一端与滑动变阻器的滑片连接,另一端固定着一个浮子。因此,滑动变阻器的电阻与浮子的高度h(液面的高度)有关,可记为R(h)。另外,电路中还存在一个定值电阻,其阻值为Ro。浮子2.2.3物理
7、过程当油箱中的油面下降时,浮子会随液面落下,-68-物理教学探讨带动滑杆使滑动变阻器滑片接触点向上移动。在此过程中,电流表的示数会发生变化,其与电阻之间的关系满足EI=-r+R+R(h)+RA于是,电流表示数1 便与液面的高度h联系起来。把电流表刻度盘改为相应的油量体积参数,就可以直接读出油箱中的油量了。2.3传感电路测量法2.3.1物理原理闭合电路欧姆定律,传感器原理。2.3.22装备一些汽车的低油位报警装置中,油箱的警戒液位由含热敏电阻的电路检测。将置于油箱中的热敏电阻接人一个闭合电路中,通以一定的电流,热敏电阻会发热。图2 透明材质的标尺2.3.3物理过程热敏电阻阻值随温度的变化规律如图
8、4 所示。当液面高于热敏电阻时,热敏电阻散发的热量会被液体带走。此时,热敏电阻温度较低,阻值较大,指示灯不亮,如图5(a)所示。当热敏电阻露出液面时,较差的散热效果使其温度上升,阻值较小,指示灯亮,如图5(b)所示。因此,通过观察指示灯就可以判断液面是否降低。R(2)0图4 电阻阻值随温度的变化置Ro滑杆R0图3 浮子推动变阻器Vol.41 No.10(1)T(K)(a)液面较高时(b)液面较低时图5 热敏电阻检测液面采用类似的方法,还可以把“热敏电阻”改为“压敏电阻”,把压力信息转化为电流信息(图6)。通过电流表的读数变化,判断液面是否降低,还可以把读数转化为图标信息(图7)。Vol.41N
9、o.10R图6 压敏电阻检测液面14:5722燃油过低63UTO4147kmOFF图7 图标信息反映液面太低小结:浮子推动变阻器、传感电路,本质是液面变化引起电阻的变化,从而改变闭合电路电流大小。反过来,电流表读数(或灯泡亮度)反映液面高度的变化。2.4电容器电路测量法2.4.1物理原理电容器结构变化及充放电过程的电流方向对比。2.4.2装备矿井的水位检测器和电路示意图分别如图8(a)和(b)所示。其中,A为固定铜芯,B为玻璃,D为矿井中含杂质的水,三者组成一个电容器。物理教学探讨开关K闭合后,若矿井水面上升,电容器两极板正对面积S增大,而两极板间距d及相对介R2电常数8.都不变,根据C=e,
10、S4元kd可知,电容C变大。在电压U不变的情况下,三。再由C-U可知,A所带的电荷量Q增多,相当于继续充电,指针向左偏转。反之,矿井中的水面下降,相当于电容器两极板正对面积S减少。由(2)式可得,电容C变小,A所带的电荷量Q减少,相当于放电,指针向右偏转。所以,根据指针的偏转方向就可以判断液面高度的变化。2.5LC振荡电路测量法2.5.1物理原理电容器结构变化及LC振荡电路中电流频率的对比。2.5.2装备如图9 所示,为了测量液罐中不导电液体的高度,将平行金属板电容器置于储罐中(与液罐外壳绝缘)。电容器露在液罐外的部分,通过开关与电源或电感相连,实现充电与放电。aSK2023年第1 0 期(2
11、)(3)LCB图9振荡电路A2.5.3h先将开关拨到a,给电路充电。再从a拨到bD-时,电容与电感构成的回路中会产生振荡电流,其波形如图1 0 所示。在极板面积、极板间距一定(a)电容式液位计(b)电容器电路图8 电容式液位计及电容器电路2.4.3物理过程电容器充电和放电时的电流方向是相反的。开关闭合瞬间,电容器处于充电状态,电流计的指针向左偏转。物理过程的条件下,液面高度降低时,介电常数减小,由(2)式可知,电容变小。再由T=2TVLC可知,波形图的周期变小。所以,根据波形图周期的变化,就可判断液面高度的变化。-69-(4)2023年第1 0 期(A)物理教学探讨利于学生对知识的获取与巩固。
12、Vol.41 No.100t(s)图1 0 波形图图1 1 学生做实验小结:电容器类及LC振荡电路类,均与电4教学反思容器有关。液面高度的变化会影响电容大小,使教育心理学指出,知识应用是掌握知识的重电流表指针偏转方向或LC波形图的周期发生要环节,物理知识与技能的学习更是如此。在“液变化。反过来,电流表指针偏转方向或LC波形面高度测量方法的比较”的专题学习中,以工程图的周期变化可反映液面高度的变化。应用作为教学情境,系统比较了直接测量法、浮子此外,还可以用回声仪、音叉液位计、磁致伸推动变阻器测量法、传感电路测量法、电容器电缩液位计等监测液面变化。在工程测量中,比如路测量法、LC振荡电路测量法等在
13、教学中的应石油开采,油井液面与井口相距较远,井身并非用,并将物理测量知识渗透进来。学生在学习物理严格的竖直方向。随着生产的进行,油井温度和知识的同时,也会关注科技与工程,开阔了视野。压力都会发生变化。井中的各种流体、固体的性实际上,高中教育在拔尖创新人才的培养过质和状态也随之改变 5 。正是基于如此复杂的因程中有着特殊的地位。物理教师要阅读国内外的素,油井液面变化就不是以上四种方法就可以确优秀教材及相关文献,拓宽视野。同时,还要处处定的。此时,可利用声波法。回声仪放出声波,得留心、有意积累,及时跟踪科学技术的发展及应到的回声波信号经过放大后转换为数字化信号,用。要广泛地收集相关案例,并以一种恰
14、当的方并在计算机上进一步分析、解释和自动化监控。式将其作为学习情境融于教学,提高课堂效益。3高中物理教学与工程融合的策略参考文献:将高中物理教学与初阶工程测量融合时,仅1FJBUECH.物理学导论 M.般大钧,等,译.北京:人仅培养科学思维、归纳研究方法并不够,还要尽民教育出版社,1 9 8 0:3 3 2.力为学生创造一个科学探究的环境。实验是物理2易克萨维耶罗日叶.整合教学法:教学中的能力和学课程改革的重要环节,物理量的测量需要学生业获得的整合 M.汪凌,译.上海:华东师范大学出版社,“动手测一测”,从而体验探究过程(图1 1)。在提2009.高学生动手能力的同时,又加强了他们的理解。3曹
15、则贤.军事物理学 M.上海:上海科技教育出版社,由于乡镇中学经费紧张,仪器短缺,其实验教学2022:10.条件远不如城市中学。但是,物理教师可以简单4穆良柱.什么是ETA物理教学法.物理与工程,2 0 2 0,30(2):32-36.地加工处理价格低廉的材料或生活中的“坛坛罐5林立星.声波法测油井动液面信号辨识技术研究 D.罐”,自制低成本物理实验教具,进行简单的物理北京:中国石油大学,2 0 1 1.实验6方武增.利用铝制易拉罐自制的几个物理教具 J.物除了引导学生正确掌握实验测量技术外,还理教师,2 0 1 6,3 7(4):5 1-5 2.要注意实验数据的处理及分析方法,并从实验结7李潮锐,吴深尚.物理实验创新教育的探索与实践 .果中得出相关物理规律 7 。随着信息技术的发展,物理实验,2 0 0 5,2 5(4):2 5-2 7,3 1.实验数据处理方式已呈现出多样化。因此,教师8方武增.教辅软件进课堂,生成成自然一一利用Excel要拓展教学思路。例如,用Excel等软件辅助教软件分析物理题实例 J.物理教学,2 0 1 7,3 9(6):5 3-5 4.学(图1 2),使之较直观地反映物理规律 8 ,也有图1 2 Excel辅助教学(栏目编辑贾伟尧)-70-