高中物理教學(xué)中融合初階工程測(cè)量的實(shí)踐
——以“液面高度測(cè)量方法的比較”為例

方武增

東莞中學(xué)松山湖學(xué)校（集團(tuán)）第十三高級(jí)中學(xué)，廣東 東莞 523779

物理學(xué)是人類在認(rèn)識(shí)、利用自然規(guī)律，并在生產(chǎn)生活實(shí)踐活動(dòng)中產(chǎn)生和發(fā)展的學(xué)科。物理學(xué)家經(jīng)常為他們的新發(fā)現(xiàn)尋找實(shí)際應(yīng)用，工程師則認(rèn)為圓滿地解決技術(shù)問(wèn)題的前提是探索自然規(guī)律的相關(guān)知識(shí)［1］。由于物理學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用之間互相滲透，適當(dāng)將工程內(nèi)容引入到物理教學(xué)的行為值得提倡和鼓勵(lì)。

1 高中物理教學(xué)與工程的融合

1.1 融合的必要性

物理教學(xué)的需要。對(duì)于高中物理教學(xué)而言，適當(dāng)引入工程實(shí)例作為教學(xué)情境，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，促進(jìn)其對(duì)物理定理和公式的理解。同時(shí)，也能促進(jìn)教師對(duì)教學(xué)資源的整合重組。教學(xué)不能拘泥于原有的課程安排，要根據(jù)學(xué)情重組教學(xué)資源。由于物理學(xué)已滲透到各項(xiàng)生產(chǎn)生活中，物理教學(xué)會(huì)很自然地涉及到應(yīng)用領(lǐng)域。這要求實(shí)際教學(xué)目標(biāo)要具體化，知識(shí)與應(yīng)用的關(guān)聯(lián)要有針對(duì)性。

發(fā)展能力的需要。現(xiàn)在的評(píng)價(jià)方式往往是“紙筆測(cè)試”，但紙筆測(cè)試成績(jī)并非與能力成正比。從學(xué)理上說(shuō)，能力是指?jìng)€(gè)體為了解決來(lái)自某一既定情境群的任何情境而調(diào)動(dòng)一套被整合的資源的可能性［2］。物理教學(xué)要重點(diǎn)指導(dǎo)學(xué)生理解各種情境中的物理原理和基本科學(xué)方法，培養(yǎng)其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。因此，將初階工程測(cè)量融合到物理課程設(shè)計(jì)是較優(yōu)的選擇。

為國(guó)育才的需要。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展一日千里，一個(gè)合格的公民必須要學(xué)習(xí)掌握先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，才能夠應(yīng)對(duì)來(lái)自各種層面的挑戰(zhàn)［3］。所以，將初階工程融入物理教學(xué)中，顯得十分必要。

1.2 融合的原則

任何教學(xué)模式的實(shí)施，都要先調(diào)查清楚教師的水平、學(xué)生的基礎(chǔ)和現(xiàn)有的教學(xué)資源，再根據(jù)實(shí)際情況探索最佳的教學(xué)方式［4］。考慮到高中生的認(rèn)知水平和思維能力，融合工程實(shí)例時(shí)要適當(dāng)且簡(jiǎn)易，不可牽強(qiáng)地引入過(guò)于復(fù)雜的原始問(wèn)題。不然，會(huì)適得其反。所以，必須從“初階”入手。物理學(xué)習(xí)中，“測(cè)量”無(wú)疑是最初階的物理應(yīng)用。這一點(diǎn)集中體現(xiàn)在初、高中課程設(shè)計(jì)及中、高考試題中，常會(huì)考查規(guī)范測(cè)量與正確讀數(shù)的問(wèn)題。

2 高中物理教學(xué)與工程初階融合的實(shí)踐

測(cè)量就是未知量與某一標(biāo)準(zhǔn)的比較，并且將測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)化的過(guò)程?，F(xiàn)代生產(chǎn)生活中，液面高度的測(cè)量非常普遍。有許多貯放液體的容器需要測(cè)定液位。液面高度的準(zhǔn)確測(cè)量為生產(chǎn)提供重要參數(shù)，也能體現(xiàn)監(jiān)測(cè)水平。筆者以“液面高度測(cè)量方法的比較”專題學(xué)習(xí)為例，嘗試融合高中物理與工程的教學(xué)，取得了較好的效果。

2.1 直接測(cè)量法

液面高度的檢測(cè)方法有很多?？赏ㄟ^(guò)“標(biāo)尺”直接測(cè)量（圖1）。這一點(diǎn)類似于實(shí)驗(yàn)室中觀察量筒液面高度的變化。但這種方法要求標(biāo)尺具有“可視化”特點(diǎn)，要求液面要“寬”。量筒測(cè)量法則要求容器透明，液面與標(biāo)尺刻度要“貼著”對(duì)比（圖2）。

圖1 水庫(kù)的液面高度

圖2 透明材質(zhì)的標(biāo)尺

許多電氣設(shè)備或油罐的材質(zhì)都不透明，相當(dāng)于“暗箱”。而且出于安全考慮，罐口都較小，或者直接封口。即使能把“尺”放入，也看不見標(biāo)度。因此，一般都采用間接測(cè)量法，先將“液面變化的信息”轉(zhuǎn)化為“可視化信息”，再通過(guò)觀測(cè)這些“可視化信息”，來(lái)了解“液面變化的信息”。下面，介紹幾種間接測(cè)量法。

2.2 浮子推動(dòng)變阻器測(cè)量法

2.2.1 物理原理

閉合電路歐姆定律，滑動(dòng)變阻器原理。

2.2.2 裝備

圖3 是一種測(cè)定油箱內(nèi)油量的裝置?；瑮U可以繞固定軸O 轉(zhuǎn)動(dòng)，一端與滑動(dòng)變阻器的滑片連接，另一端固定著一個(gè)浮子。因此，滑動(dòng)變阻器的電阻與浮子的高度h（液面的高度）有關(guān)，可記為R（h）。另外，電路中還存在一個(gè)定值電阻，其阻值為R0。

圖3 浮子推動(dòng)變阻器

2.2.3 物理過(guò)程

當(dāng)油箱中的油面下降時(shí)，浮子會(huì)隨液面落下，帶動(dòng)滑桿使滑動(dòng)變阻器滑片接觸點(diǎn)向上移動(dòng)。在此過(guò)程中，電流表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其與電阻之間的關(guān)系滿足

于是，電流表示數(shù)I 便與液面的高度h 聯(lián)系起來(lái)。把電流表刻度盤改為相應(yīng)的油量體積參數(shù)，就可以直接讀出油箱中的油量了。

2.3 傳感電路測(cè)量法

2.3.1 物理原理

閉合電路歐姆定律，傳感器原理。

2.3.2 裝備

一些汽車的低油位報(bào)警裝置中，油箱的警戒液位由含熱敏電阻的電路檢測(cè)。將置于油箱中的熱敏電阻接入一個(gè)閉合電路中，通以一定的電流，熱敏電阻會(huì)發(fā)熱。

2.3.3 物理過(guò)程

熱敏電阻阻值隨溫度的變化規(guī)律如圖4 所示。當(dāng)液面高于熱敏電阻時(shí)，熱敏電阻散發(fā)的熱量會(huì)被液體帶走。此時(shí)，熱敏電阻溫度較低，阻值較大，指示燈不亮，如圖5（a）所示。當(dāng)熱敏電阻露出液面時(shí)，較差的散熱效果使其溫度上升，阻值較小，指示燈亮，如圖5（b）所示。因此，通過(guò)觀察指示燈就可以判斷液面是否降低。

圖4 電阻阻值隨溫度的變化

圖5 熱敏電阻檢測(cè)液面

采用類似的方法，還可以把“熱敏電阻”改為“壓敏電阻”，把壓力信息轉(zhuǎn)化為電流信息（圖6）。通過(guò)電流表的讀數(shù)變化，判斷液面是否降低，還可以把讀數(shù)轉(zhuǎn)化為圖標(biāo)信息（圖7）。

圖6 壓敏電阻檢測(cè)液面

圖7 圖標(biāo)信息反映液面太低

小結(jié)：浮子推動(dòng)變阻器、傳感電路，本質(zhì)是液面變化引起電阻的變化，從而改變閉合電路電流大小。反過(guò)來(lái)，電流表讀數(shù)（或燈泡亮度）反映液面高度的變化。

2.4 電容器電路測(cè)量法

2.4.1 物理原理

電容器結(jié)構(gòu)變化及充放電過(guò)程的電流方向?qū)Ρ取?/p>

2.4.2 裝備

礦井的水位檢測(cè)器和電路示意圖分別如圖8（a）和（b）所示。其中，A 為固定銅芯，B 為玻璃，D 為礦井中含雜質(zhì)的水，三者組成一個(gè)電容器。

圖8 電容式液位計(jì)及電容器電路

2.4.3 物理過(guò)程

電容器充電和放電時(shí)的電流方向是相反的。開關(guān)閉合瞬間，電容器處于充電狀態(tài)，電流計(jì)的指針向左偏轉(zhuǎn)。

開關(guān)K 閉合后，若礦井水面上升，電容器兩極板正對(duì)面積S 增大，而兩極板間距d 及相對(duì)介電常數(shù)εr都不變，根據(jù)

可知，電容C 變大。在電壓U 不變的情況下，再由

可知，A 所帶的電荷量Q 增多，相當(dāng)于繼續(xù)充電，指針向左偏轉(zhuǎn)。反之，礦井中的水面下降，相當(dāng)于電容器兩極板正對(duì)面積S 減少。由（2）式可得，電容C 變小，A 所帶的電荷量Q 減少，相當(dāng)于放電，指針向右偏轉(zhuǎn)。所以，根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向就可以判斷液面高度的變化。

2.5 LC 振蕩電路測(cè)量法

2.5.1 物理原理

電容器結(jié)構(gòu)變化及LC 振蕩電路中電流頻率的對(duì)比。

2.5.2 裝備

如圖9 所示，為了測(cè)量液罐中不導(dǎo)電液體的高度，將平行金屬板電容器置于儲(chǔ)罐中（與液罐外殼絕緣）。電容器露在液罐外的部分，通過(guò)開關(guān)與電源或電感相連，實(shí)現(xiàn)充電與放電。

圖9 振蕩電路

2.5.3 物理過(guò)程

先將開關(guān)撥到a，給電路充電。再?gòu)腶 撥到b時(shí)，電容與電感構(gòu)成的回路中會(huì)產(chǎn)生振蕩電流，其波形如圖10 所示。在極板面積、極板間距一定的條件下，液面高度降低時(shí)，介電常數(shù)減小，由（2）式可知，電容變小。再由

圖10 波形圖

可知，波形圖的周期變小。所以，根據(jù)波形圖周期的變化，就可判斷液面高度的變化。

小結(jié)：電容器類及LC 振蕩電路類，均與電容器有關(guān)。液面高度的變化會(huì)影響電容大小，使電流表指針偏轉(zhuǎn)方向或LC 波形圖的周期發(fā)生變化。反過(guò)來(lái)，電流表指針偏轉(zhuǎn)方向或LC 波形圖的周期變化可反映液面高度的變化。

此外，還可以用回聲儀、音叉液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)等監(jiān)測(cè)液面變化。在工程測(cè)量中，比如石油開采，油井液面與井口相距較遠(yuǎn)，井身并非嚴(yán)格的豎直方向。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，油井溫度和壓力都會(huì)發(fā)生變化。井中的各種流體、固體的性質(zhì)和狀態(tài)也隨之改變［5］。正是基于如此復(fù)雜的因素，油井液面變化就不是以上四種方法就可以確定的。此時(shí)，可利用聲波法?；芈晝x放出聲波，得到的回聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字化信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)一步分析、解釋和自動(dòng)化監(jiān)控。

3 高中物理教學(xué)與工程融合的策略

將高中物理教學(xué)與初階工程測(cè)量融合時(shí)，僅僅培養(yǎng)科學(xué)思維、歸納研究方法并不夠，還要盡力為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)科學(xué)探究的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)是物理課程改革的重要環(huán)節(jié)，物理量的測(cè)量需要學(xué)生“動(dòng)手測(cè)一測(cè)”，從而體驗(yàn)探究過(guò)程（圖11）。在提高學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，又加強(qiáng)了他們的理解。由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，儀器短缺，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件遠(yuǎn)不如城市中學(xué)。但是，物理教師可以簡(jiǎn)單地加工處理價(jià)格低廉的材料或生活中的“壇壇罐罐”，自制低成本物理實(shí)驗(yàn)教具，進(jìn)行簡(jiǎn)單的物理實(shí)驗(yàn)［6］。

圖11 學(xué)生做實(shí)驗(yàn)

除了引導(dǎo)學(xué)生正確掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)外，還要注意實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析方法，并從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出相關(guān)物理規(guī)律［7］。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式已呈現(xiàn)出多樣化。因此，教師要拓展教學(xué)思路。例如，用Excel 等軟件輔助教學(xué)（圖12），使之較直觀地反映物理規(guī)律［8］，也有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取與鞏固。

圖12 Excel 輔助教學(xué)

4 教學(xué)反思

教育心理學(xué)指出,知識(shí)應(yīng)用是掌握知識(shí)的重要環(huán)節(jié)，物理知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)更是如此。在“液面高度測(cè)量方法的比較”的專題學(xué)習(xí)中，以工程應(yīng)用作為教學(xué)情境，系統(tǒng)比較了直接測(cè)量法、浮子推動(dòng)變阻器測(cè)量法、傳感電路測(cè)量法、電容器電路測(cè)量法、LC 振蕩電路測(cè)量法等在教學(xué)中的應(yīng)用，并將物理測(cè)量知識(shí)滲透進(jìn)來(lái)。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，也會(huì)關(guān)注科技與工程，開闊了視野。

實(shí)際上，高中教育在拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)過(guò)程中有著特殊的地位。物理教師要閱讀國(guó)內(nèi)外的優(yōu)秀教材及相關(guān)文獻(xiàn)，拓寬視野。同時(shí)，還要處處留心、有意積累，及時(shí)跟蹤科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。要廣泛地收集相關(guān)案例，并以一種恰當(dāng)?shù)姆绞綄⑵渥鳛閷W(xué)習(xí)情境融于教學(xué)，提高課堂效益。