四種新技術、新材料在中學物理教學中的應用 苗壯 當今時代是一個高新技術飛速發展的時代。僅最近30年來，就出現了物聯網、大數據、3D打印和納米材料、石墨烯、碳纖維等大批新技術和新材料。新技術、新材料為我們的生活帶來了很多便利，同時也可以有效彌補中學物理教學現有實驗裝置的不足，克服傳統實驗的局限。限于篇幅，本文僅對釹鐵硼材料、超級電容、紅外熱成像儀和3D打印技術引入中學物理教學的必要性和教學方案做粗淺討論。 釹鐵硼材料在電磁感應教學中的應用 釹鐵硼材料，也稱為釹鐵硼磁鐵（NdFeBmag），是20世紀80年代發展起來的新型永磁材料，主要成分是釹、鐵、硼（Nd2Fe14B）的合金，是目前已知的磁性最強的永久材料，也是最廣泛使用的稀土磁鐵。 人教版高中物理選修-第93頁的“旋轉的液體”實驗：在玻璃皿的中心放一個圓柱形電極，沿邊緣內壁放一個圓環形電極，把它們分別與電池的兩極相連，然后在玻璃皿中放入導電液體，例如鹽水，如果把玻璃皿放在磁場中，液體就會旋轉起來1。該實驗設計思路精妙，不論是演示實驗還是讓學生自己動手，教學價值都很高。但筆者在實踐中發現，該實驗的現象微乎其微，為了改進實驗，可將馬蹄形磁鐵用釹鐵硼磁鐵代替，則實驗效果立即變得明顯。 在做“通電導線與磁體通過磁場發生相互作用”的演示實驗時，如果像課本中的原理圖那樣，把一段直導線懸掛于馬蹄形磁鐵內部，通以直流電，由于普通馬蹄形永磁體的磁感應強度低，安培力較弱，導線運動不明顯。過去的改進方法是采用方形線框來代替直導線，然而線框畢竟與課本中的原理圖所示不同，需要教師在講解時繞彎子給學生做說明。事實上，只要將原理圖中的馬蹄形磁鐵用兩塊釹鐵硼磁鐵代替，而其他裝置保持不變，就可以實現實驗效果。因為磁感應強度大，安培力大，無需線圈，只要一根導線，實驗效果就十分明顯。 紅外熱成像儀在物理教學中的應用 任何溫度在絕對零度以上的物體，都會因分子的熱運動而不斷輻射出紅外線。紅外熱成像儀就是通過紅外探測CCD將物體紅外輻射轉換為電信號，并經處理后顯示到液晶屏上，得到與物體表面熱分布相應的成像圖。與其他測溫儀器相比，紅外熱成像儀具有非接觸、圖像直觀、響應快捷、能反映二維溫度場分布等優勢。 20世紀90年代以前，紅外熱成像儀的價格動輒數十萬甚至幾百萬，普通中小學根本沒有條件使用。近年來，隨著非冷卻紅外CCD芯片的不斷商品化，紅外熱成像儀的售價大幅下降，目前淘寶上已經出現了售價兩千多元的紅外熱成像儀，完全具備進入中學物理教學應用中的條件。 利用紅外熱成像儀能夠以圖像方式直觀反映溫度場分布的特性，可以將紅外熱成像儀引入初中物理熱傳導實驗。在熱傳導實驗中取消傳熱體上的溫度計或示溫物質，直接用紅外熱成像儀對準傳熱體進行觀察，不僅簡化了實驗裝置，而且形象直觀，一目了然。在課堂演示時，可以將紅外熱成像儀與電腦連接起來，將溫度分布圖像投影到大屏幕上供全班學生觀看。經濟型紅外熱成像儀如果沒有電腦接口，可以用一個視頻攝像頭對準紅外熱成像儀的液晶屏拍攝，然后投影到大屏上。 另外，紅外熱成像儀還可以在教學高中物理選修3-4第十四章電磁波譜一課時讓學生親眼“看到”紅外線的存在。在學生探究活動中可以安排學生體驗全黑環境下用紅外熱成像儀觀察目標。電路制作活動中可以讓學生用紅外熱成像儀發現潛在的電路故障點，體驗紅外線的存在，感受高科技的魅力。 用超級電容做大電流實驗電源 超級電容器，又稱法拉電容器，是一種電化學電容器。其簡單工作原理是當向電極充電時，電極表面電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小，再加之采用特殊電極結構，使電極表面積成萬倍地增加，從而產生極大的電容量2。超級電容的儲能過程是可逆的，可以反復充放電數十萬次，它的突出優點是容量超大、大電流放電能力超強、功率密度高、充放電時間短，目前已經有1000法拉以上的產品，是人類現在制造出的容量最大的電容器。 人教版高中物理選修-中第92頁的“平行通電直導線之間的相互作用”實驗，相信很多教師都有過失敗的體驗，即便是成功的，現象也不很明顯，離學生的期望差距很大，實驗效果不理想。要使實驗現象明顯，可行的辦法之一是讓平行導線中的電流大一些，而普通學生電源的電流容量很小，實際操作時如果不給導線串聯限流電阻，學生電源很快進入保護狀態，筆者改用負載能力最大的磷酸鐵鋰電池實驗，結果電池也很快就損壞。 為此，筆者試著將一只耐壓5.5V、容量為4F的超級電容器（淘寶售價僅4.5元）代替常規電源。先通過一個單刀雙擲開關串聯一個1.5歐的大功率電阻給超級電容充電，然后將開關的刀位擲向平行導線一側，在產生電火花的同時，平行導體在水平方向上拉開，說明豎直方向的平行通電導體間有力的作用。后經多次連續演示，超級電容器平安無事，效果極佳。 在中學物理實驗中，類似這樣需要大電流的實驗還有很多，比如上文提到的旋轉的液體實驗、通電導線與磁體通過磁場發生相互作用實驗和奧斯特實驗。相信我們只要稍加探索，不難找到用超級電容器解決的辦法。 物理教學中應用3D打印的設想 3D打印技術是一種“快速成型技術”，不同于切削加工，3D打印是“增材制造技術”。3D打印機內裝有液體或粉末等打印材料，與電腦連接后，通過電腦控制把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機上的模型數據變成實物。3D打印無須機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本3。美國新媒體聯盟發布的國際教育信息化xx地平線報告認為：在未來45年期間，3D打印將會被廣泛采用，是可能會對教育教學產生重大影響的新興技術4。可見，盡管3D打印的教育應用還遠未成熟，但有必要對基礎教育領域如何應用3D打印進行前瞻性探討。 3D打印能夠快速、低成本、更加真實地呈現物體的真實結構，這對于中學物理教學來說有重要價值。物理學科中有許多宏觀或者微觀的內容，如盧瑟福原子模型、波爾原子模型、各種物理裝置的內部結構等，學生理解起來會碰到困難。如果將類似內容和抽象物理圖景用3D打印機打印出來，使之變成實物，無疑能夠化解學生的學習困難，提高他們的學習興趣。在條件具備時，讓學生將自己的想象打印成實物，更能有效地培養他們的創造力并獲得深刻的感知體驗。對于物理教師來說，3D打印的快速成型特性無疑在自制教具領域有重要價值。在教學實踐中，物理教師往往有許多自制教具的靈感或設計方案，卻因為材料難找或者造型加工困難而不得不放棄。3D打印技術的出現，完全可以解決這一困境，3D打印技術采用逐層疊加的原理進行生產，可以高效、高精度地將教師設計好的零件直接打印出來，教師所需要做的僅僅是在電腦上將這些零件的三維模型設計好。 目前，世界各國都對新技術、新材料的研發和市場開發日益重視。隨著新技術革命的進行，各種行業將面臨巨大的變革，教育行業自然不能例外，新技術必將對現有教學產生深刻的影響。可以預見，隨著技術的不斷進步和規模化生產的到來，新技術、新材料成本會隨之下降，性價比會越來越高。將新技術、新材料引入中學物理教學，可以給學生提供了解科學發展前沿的窗口，引導他們將眼光投向學校之外的世界，使他們開闊視野，激發他們對物理學的興趣和探求的強烈欲望。 參考文獻 【1】物理課程教材研究開發中心.普通高中物理課程標準實驗教材3-1M.北京：人民教育出版社，xx(1). 【2】凌云，