初中物理疑难实验研究
摘要 介绍了几个初中物理疑难实验，指出要顺利完成这些实验的关键所在和改进教具的方法
关键词 初中物理 疑难实验 改进
在全国统编的九年义务教育初中物理教材中有大量的实验，这说明了实验在中学物理教学中占有极重要的地位。在这些实验中有的看起来非常简单，然而在实践中要真正把它做好却不容易，有的由于演示实验失败造成尴尬的局面，严重地影响教学效果。为此我们对其中一些实验进行了研究，找出了顺利做好它们的关键和改进实验的方法,现介绍如下。
一 静电实验
静电实验是电磁学中的基本实验之一，内容多而复杂。不少中学老师反映该实验不易把握，其实只要考虑静电实验的特点，注意一些关键问题，完成实验不难的。在静电实验中电量少是它的一个特点，如经过摩擦的玻璃棒或橡胶棒所带的电量约在10-7库仑左右。然而这些电荷往往又集结在体积不大的范围内，因此具有很高的电压,可以达到数千伏至数万伏，这是静电实验的第二个特点。因此在静电实验中一但漏电，电荷马上就跑完从而导致实验失败，所以解决绝缘问题是完成静电实验的关键。
验电器是静电实验中用来检验物体是否带电的仪器，有些人在使用时为避免漏电常把它放在绝缘板上，其实这种方法是不能解决问题的。因为即使验电器与周围绝缘，但如果验电器的绝缘塞绝缘性能不好，那么不管你给验电器带上多少电荷，由于其外壳的屏蔽作用，电荷必全部分布在它的外壳上，其指针当然不会张开，可见绝缘塞的绝缘性能是非常重要的。若用干燥的泡沫或石蜡做绝缘塞，再用干燥的丝绸或毛皮摩檫有机玻璃棒并让该玻璃棒与验电器的金属球接触就很容易使验电器带上电，它的指针会张开一角度并能长时间保持下来。
利用验电器我们很方便地判断在静电实验的条件下哪些是绝缘体哪些是非绝缘体，方法是：用上述的方法使验电器带电，其指针张开一角度，然后手拿待测物体（如玻璃棒）去与验电器接触，说明它上面的电荷通过待测物体和我们人体跑到地上，该待测物体当然就是非绝缘体。相反若验电器的指针张开的角度没有明显减小，那么该物体就是绝缘体。用这种方法可以很方便地测出象石蜡、泡沫、有机玻璃、聚四氯乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚氯乙烯塑料等绝缘体的性能：而普通的玻璃、橡胶棒、干木材、电线外层的绝缘层等的绝缘性能就很差。从上述的讨论可见，要做静电实验应注意如下两个方面：
1、选择合适的绝缘材料并保持它们表面的干燥清洁。不仅用绝缘性能好的材料做验电器的绝缘盖及各种绝缘柄，而且要用绝缘性能好的物体来进行摩擦起电，否则电荷将很快跑掉而使实验失败。当绝缘材料表面脏了，应及时进行处理，否则它的绝缘性能就会变差。若遇上湿度特别大的环境可用红外线灯泡照射或电吹风吹，使得局部出现干燥环境，但应注意不要用火直接去烤，以免由于电离而跑电。
2、习惯对实验的成败关系重大，故应特别注意，例如要养成良好的操作习惯。在静电实验中良好的操作在摩擦起电时手拿棒的地方应与摩擦的地方尽可能远离，摩擦时也应尽可能加大力度，带电棒在与验电器金属球接触时要上下移动并转动，使金属球尽可能多地接触棒上带电区以便容易放电而收集到更多的电荷。若有导体连线时这些连线应尽可能短并让它们远离桌面或用电器的外壳，绝缘柄在使用前应反复擦干净。
二、绝缘体转化为导体实验
绝缘体转化为导体实验是在向学生介绍了导体和绝缘体的概念后，为了说明导体和绝缘体没有绝对的界限，在一定条件下绝缘体可以转化为导体而安排的演示实验。教材中画出了该实验的原理图。要做好这个实验必须正确选择电路的参数（电源电压，灯泡功率等）和自己动手制作待烧玻璃的电极，以便与电路连接。
1、待烧玻璃电极的制作
方法一：选取一小段玻璃棒，用直径为0.2mm左右，长约50mm的漆包线两根，分别在各其一端刮去约5cm长的绝缘层，绕在玻璃棒上并扎紧，所扎导线在玻璃棒上相距约为2mm。为刮去绝缘层部分作为导线，与电路连接。
方法二：选取一小段内径为0.5mm的玻璃管，直径为0.5mm的漆包线两截，从玻璃棒两端分别插入，使两段相距1mm左右，然后用酒精灯给玻璃棒加热，使之融化，把两导线埋于管内，露在管外的铜线两端分别引出两根导线。
方法三：用废旧白炽灯泡，敲去玻璃泡，利用灯泡固定两个电极的玻璃灯芯作为待烧玻璃，配上一个灯头，从灯头两个接线柱上引出导线。
2、参数选择分析
(1)烧红玻璃的电阻。玻璃烧红后变为导体，但电阻并非为0，根据实验测定，在红炽状态下电阻300~400Ω,若用一般酒精加热，受周围环境影响，温度较低时，电阻若为1~2kΩ.
(2)灯泡的选择。灯泡作为绝缘体转化为导体的信号指示，当灯泡为绝缘体时，灯泡不发亮，当转化为导体时应能点燃。若选用实验室中常用的小灯珠，其冷态电阻为1--2Ω，额定电流为几百mA ，使其点燃至少要通入100mA以上电流，选用这种小灯泡是否合适，还与电源电压有关。
(3)电源电压的选择。设选用小电珠为实验灯泡，通过电流使其点燃为200mA，玻璃的电阻为300Ω，则电源电压v=IR=0.2*300=60V.
由以上分析可知，选用小电珠，要使灯泡点燃，须选用较高的电源电压，这样的电源有些中学是不具备的。当选用常用的6v直流电源，通过灯泡的电流I=V/R=6/300=20mA。这时虽有电流通过灯泡，但不能点亮，达不到演示的预期效果。
3、实验的改进
电源直接使用220v交流市电，灯泡选用15或25w的普通白炽灯泡，用废旧的白炽灯泡敲去玻璃泡，留下其玻璃芯及其电极，配上两个白炽灯头和一个电源插头，组成如图所示电路。
演示时，将电源插头插到电源插座上，把废灯泡灯头架在铁支架上（也可以直接用手拿），点燃酒精灯对玻璃灯心加热，约一分钟后，白炽灯点燃，逐步变亮。当移去酒精灯，灯泡逐渐变暗最后熄灭，可反复多次演示。
该实验装置有如下优点：①选用额定电压为220v的白炽灯，其额定电流较小。（如15w为70mA），通入较小电流即可点燃。 ② 采用220v的交流电，省掉了另外配备电源，同时，由于电压较高，即使玻璃在较低温度下阻值较大，也能给电路通入一定电流（如玻璃电阻为3kΩ时，灯泡冷电阻为260Ω，电流I=220/(3000+260)=67mA，当灯泡点燃后温度升高，灯泡电阻为2000Ω时，I=220/（3000+2000）=44mA）。实际上当电流通过玻璃灯芯时，产生热效应，使玻璃灯芯电阻进一步减少，保证了回路中较大的电流。可见，采用白炽灯，不论是亮度还是体积，可见度比小电珠大，增加了演示效果。
三、压缩气体液化
压缩气体液化实验是九年义务教育教材中“热现象”一章的一个课堂演示实验，该实验器材简单，操作方便，如果演示成功，对于加深学生对压缩气体发生液化的感性认识有重要的作用，但是相当部分教师反映，该实验很难成功，现就该实验难的原应做简要分析。
由热学知识知道，装在密闭容器中的液体，随着蒸发过程的进行，蒸气密度不段增加，返回液体的分子数也不断增多。当在相同的时间内由液体中跑出的分子与返回液体的分子数相等时，宏观蒸发过程停止，蒸气达到饱和状态，称为饱和蒸气，对应的压强称为饱和蒸气压。饱和蒸气压与温度有关，温度越高，饱和蒸气压越大，饱和蒸气压的密度与蒸气压有关，压强越大，密度越大。在20℃时，饱和蒸气密度为r=1.777Kg/m3 ，一定体积的饱和蒸气的质量也就一定，即m=rv。因此，要使注射器内的液体乙醚全部气化，吸入的液态乙醚质量不能超过注射器最大容积所对应的乙醚饱和蒸气的质量。若吸入乙醚过多，则乙醚不能全部气化。教材中只提“吸进一些乙醚”，实验者往往把握不住。由于注射器的容积有限，要使乙醚全部液化，只能吸入很少乙醚的质量。查手册知。20℃时，饱和蒸气的密度r=1.777*10-3g/cm3设所用注射器的最大有效容积为200cc，则m=rv=0.35 g。只要吸入的质量不超过此值则能保证实验成功。
该实验要取得好的演示效果，还需要解决的另一个问题是可见度。由于乙醚量少，可见度低，要提高可见度，可直接用投影仪的方法。因为该实验所用的注射器是透明的，乙醚也是透明的，为投影创造了很好的条件，但应注意演示前先对投影仪调焦，使液态乙醚影像清晰。
四、萘的熔化和凝固实验的改进
“晶体的熔化和凝固”是初中物理课本里的一个基本实验，据我们世行贷款课题组成员对三个县的二十多所中学进行调查了解，教师普遍反映在做这一实验时难于成功。往往是既花费了时间，又给讲课带来了困难，为此，我们对这个实验进行研究，作如下的改进：
1、 根据萘导热性能差的特点，为了使萘粉在整个实验过程中受热均匀及试管中各部分萘的温度尽可能接近相同。可用导线中的铜丝剪成一 段段长约4~5cm，每股中间扭开一个空隙，间隔一定的距离绞紧在温度计上。然后把两头的铜丝散开，尽可能均匀地分散在温度计感温饱的底部、周围及温度计感温泡以上约2.5~3cm处，以利于实验时导热均匀。
2、 用一橡皮塞，中间打一孔 ，把温度计插入孔中，然后放入小试管中，注意温度计的感温泡离试管底部约1cm，距试管壁周围应相等，并将温度计的铜丝与试管壁尽可能多的接触，以利于导热。
3、把萘粉倒入试管中，轻轻抖匀且萘粉高出温度计感温饱2.5cm左右，然后把橡皮塞移至试管口并塞紧。
4、把装有萘粉的小试管放入一只大试管中，在大试管的管口处用一泡沫剪成开有一直径与小试管直径大小相等的孔，以便把小试管固定在大试管中，固定时应使小试管底部及周围尽可能保持与大试管内壁等距且不允许触及大试管内壁。
5、把盛水的小烧杯放入石棉网上，特别注意石棉网应与烧杯底部保持大面积的接触，以便导热良好，缩短实验时间，在水中放入一温度计。
6、烧杯中水面应高出萘粉面2.5cm左右为宜。且在烧杯口上用一张纸盖住烧杯口，使其升温快些。为缩短实验时间，可预先把水温烧至80℃左右，并把装有萘粉的两只大小试管装置放入水中预热。
经过改进后的这一实验，我们经过进十次的实践，效果良好，其优点：
1、 利用铜丝导热性能良好、空气导热性能差的特点，在一定程度上改善了萘的受热的均匀。
2、无须对萘粉进行搅拌，一人可独立完成整个实验过程，避免了搅拌而带来的器材损坏。
3、萘粉密封在细管中，不污染环境，不造成损耗，且可反复多次做实验。
4、准确度高，溶解和凝固均保持在（80±0.3）℃范围。
