自制教具探究类比法在物理学中的应用

    内容摘要：电流的形成原因，即电压，在初中物理学中是一个教学难点，是把它和水流的形成原因相类比面引入的一个概念，但通常是用原理图来类比推理，很少真正用实验来演示、探究和推理，主要原因是缺乏专用的实验装置。为此，我们通过调查研究，充分利用生活中的物品，设计和制作了一套专用演示装置，通过对比演示、类比推理，让学生学会了利用类比法去研究物理问题的方法。
    关键词：自制教具  类比法  物理学

    当今时代，随着人们生活水平的提高、科学技术日新月异的发展，各种日用品可谓是应有尽有，其科技含量也越来越高。物理学是典型的实验科学，又和日常生活紧密联系。“从生活走向物理，从物理走向社会”[1]，这是新课程标准的一个基本理念。
    类比研究法，是研究物理学的常用方法之一，它是根据两个对象之间的某些方面的相似或相同而推出在其它方面也可能相似或相同的一种逻辑推理方法。恩格斯说；“类比是从一个研究领域过渡到另一个研究领域，也就是采用这个研究领域的研究成果来解释说明另一个研究领域的事物”[2]。初中物理中常用形象直观的事物类比抽象的事物。如探究电流的形成原因与水流的形成原因类比，电压和水压类比，声波和水波类比等。
    现行各种初中物理教材版本，都是用类比的方法引出“电压”概念的。但真正用实验演示的方法，把二者进行对比演示，在实际操作中是不容易的。主要困难是：一般学校的实验室都缺乏微型抽水机和微型水轮机，如果用一般实验室所具有的抽水机模型等来组装，不仅体积大、笨重，且还难以找到与之相匹配的电动机。为此，我们经调查研究，充分利用生活中的一些日常用品，通过自制及改装，设计和制作了一套“电流和水流形成原因类比演示装置”，它不仅取材容易、制作简单，更具有对比鲜明、形象生动、效果明显的特点。
1.水轮机模型的制作：用易拉罐的金属盒为原材料，先用剪刀剪一个直径约7厘米的金属板，沿中心线剪成的8条金属片并扭转900 ，用小号一字型螺丝刀在其园心处开一宽约2毫米的矩形孔。另用一块金属片剪成一个梯形,折成一个U形槽，做成一个带水槽的叶轮支架。取一段长约3.5cm的铁丝作转轴，中部压平，两端各套一段圆珠笔芯（用来将叶轮固定在铁丝中点位置上），最后将叶轮固定在支架上，一个水轮机模型就做成了。
2.带排水管的容器制作：高水位容器A和低水位容器B可用小卖部装口香糖的透明方塑料盒制作， A容器固定在装置的顶部（我们利用了废旧饮水机上的容器制成），把水轮机模型固定在B容器上后，再将其安装在底座上。
3.微型抽水机及马达：通过对日常家用电器的调查了解，发现有一种家用饮水机里面，恰好有一个完全符合本装置要求的微型抽水机及配套的直流马达，规格是8V—12V直流电源，完全可以用“学生电源”。到废品回收站很容易就找到一个类似的废旧饮水机，取出后找一段合适的水管与容器B相连，把马达输入接线柱安装在底座上，马达固定在装置的竖直木板支架上。
4.水路中的其它器件及装置：水流所用水管，可采用市场上出售的规格为8mm的透明塑料管（又称为“水平管”），用管卡固定；开关可用天燃气开关代替。底座和支架用1—1.5cm厚度的木板制作，最后将各器件及模型组装起来，
5.电流的形成装置：主要元件可用实验室的器材来组装，导线可用1.5mm2的铝芯线，电源使用“学生电源”，小灯泡选用规格为“6V，0.2A”，另找一只低压大容量的电解电容器，如规格为“25V，3300μF”，该电容器是一个储存电荷的元件，作用类似于前面的盛水容器。用螺钉将各电路元件固定在支架木板的另一侧，这样可使两套装置合二为一，使用方便，对比性强。
演示时，先把水路开关关闭，在A容器注入适量的水，为便于观察，可将水着色。打开水路开关观察水的流动情况：水从高水位的A容器流向低水位的B容器；同时，水轮机转动；A容器中的水位逐渐降低， B容器的水位逐渐升高；当A容器中的水全部流入到B容器中时，A、B两容器之间没有水位差即“水压”，水停止流动，说明A、B两容器之间有持续水流的原因，是它们之间有“水压”，水压是水流形成的原因。如果要使这个水路中有持续不断的水流，就得使A容器中的水位总是高于B容器中的水位。现在接通电源使抽水机把B容器中的水不断地抽到A容器中（水流量可由输入电压调节），就能使它们之间总有一定的水压。说明抽水机在本装置中的作用是提供水压。
把本装置水平转动1800，先将电容器在学生电源的“6V”档位上充满电，再将其的正、负极分别接在电路的上、下两接线柱上。告诉学生，这只电容器不是电源，但它可储存电荷。闭合开关，可观察到小灯泡发光，但很快熄灭。说明了电路中有了电流，但不是持续电流。这一现象和A、B两容器间一开始有水流相似。断开电容器，把电源接入电路两端之间，闭合开关后，小灯泡可持续发光，这与前面实验中用抽水机把低水位的水抽到高水位后，就能保持有持续不断的水流相似。说明持续电流的形成原因和持续水流的形成原因也相似。物理学中与水压相类比从而引入了“电压”的概念。水压是形成水流的原因；电压是形成电流的原因。抽水机的作用是提供了水压；电源的作用也就是提供电压。
利用本装置演示，课堂用时大约5分钟，但这5分钟让学生从直观的实验现象到抽象的推理，自然、生动、逻辑性强，把对科学的神秘感转化为了对生活现象的亲切感！不仅有利于教师突破教学的难点，更让学生通过本实验，学会了“类比法”这种重要的科学研究方法。

 参考文献：
[1] 《物理（8—9年级）课程标准解读》北京师范大学出版社。
[2]《试论夸美纽斯的教育研究法——类比法》，作者：杨善发
[3] 《物理九年级上册》，教育科学出版社。

                通江县洪口中学   李盛柏