四种新技术、新材料在中学物理教学中的应用

苗 壮

当今时代是一个高新技术飞速发展的时代。仅最近30年来，就出现了物联网、大数据、3D打印和纳米材料、石墨烯、碳纤维等大批新技术和新材料。新技术、新材料为我们的生活带来了很多便利，同时也可以有效弥补中学物理教学现有实验装置的不足，克服传统实验的局限。限于篇幅，本文仅对钕铁硼材料、超级电容、红外热成像仪和3D打印技术引入中学物理教学的必要性和教学方案做粗浅讨论。

钕铁硼材料在电磁感应教学中的应用

钕铁硼材料，也称为钕铁硼磁铁（NdFeBmagnet），是20世纪80年代发展起来的新型永磁材料，主要成分是钕、铁、硼（Nd2Fe14B）的合金，是目前已知的磁性最强的永久材料，也是最广泛使用的稀土磁铁。

人教版《高中物理选修３-１》第93页的“旋转的液体”实验：在玻璃皿的中心放一个圆柱形电极，沿边缘内壁放一个圆环形电极，把它们分别与电池的两极相连，然后在玻璃皿中放入导电液体，例如盐水，如果把玻璃皿放在磁场中，液体就会旋转起来[1]。该实验设计思路精妙，不论是演示实验还是让学生自己动手，教学价值都很高。但笔者在实践中发现，该实验的现象微乎其微，为了改进实验，可将马蹄形磁铁用钕铁硼磁铁代替，则实验效果立即变得明显。

在做“通电导线与磁体通过磁场发生相互作用”的演示实验时，如果像课本中的原理图那样，把一段直导线悬挂于马蹄形磁铁内部，通以直流电，由于普通马蹄形永磁体的磁感应强度低，安培力较弱，导线运动不明显。过去的改进方法是采用方形线框来代替直导线，然而线框毕竟与课本中的原理图所示不同，需要教师在讲解时绕弯子给学生做说明。事实上，只要将原理图中的马蹄形磁铁用两块钕铁硼磁铁代替，而其他装置保持不变，就可以实现实验效果。因为磁感应强度大，安培力大，无需线圈，只要一根导线，实验效果就十分明显。

红外热成像仪在物理教学中的应用

任何温度在绝对零度以上的物体，都会因分子的热运动而不断辐射出红外线。红外热成像仪就是通过红外探测CCD将物体红外辐射转换为电信号，并经处理后显示到液晶屏上，得到与物体表面热分布相应的成像图。与其他测温仪器相比，红外热成像仪具有非接触、图像直观、响应快捷、能反映二维温度场分布等优势。

20世纪90年代以前，红外热成像仪的价格动辄数十万甚至几百万，普通中小学根本没有条件使用。近年来，随着非冷却红外CCD芯片的不断商品化，红外热成像仪的售价大幅下降，目前淘宝上已经出现了售价两千多元的红外热成像仪，完全具备进入中学物理教学应用中的条件。

利用红外热成像仪能够以图像方式直观反映温度场分布的特性，可以将红外热成像仪引入初中物理热传导实验。在热传导实验中取消传热体上的温度计或示温物质，直接用红外热成像仪对准传热体进行观察，不仅简化了实验装置，而且形象直观，一目了然。在课堂演示时，可以将红外热成像仪与电脑连接起来，将温度分布图像投影到大屏幕上供全班学生观看。经济型红外热成像仪如果没有电脑接口，可以用一个视频摄像头对准红外热成像仪的液晶屏拍摄，然后投影到大屏上。

另外，红外热成像仪还可以在教学《高中物理选修3-4》第十四章《电磁波谱》一课时让学生亲眼“看到”红外线的存在。在学生探究活动中可以安排学生体验全黑环境下用红外热成像仪观察目标。电路制作活动中可以让学生用红外热成像仪发现潜在的电路故障点，体验红外线的存在，感受高科技的魅力。

用超级电容做大电流实验电源

超级电容器，又称法拉电容器，是一种电化学电容器。其简单工作原理是当向电极充电时，电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小，再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍地增加，从而产生极大的电容量[2]。超级电容的储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次，它的突出优点是容量超大、大电流放电能力超强、功率密度高、充放电时间短，目前已经有1000法拉以上的产品，是人类现在制造出的容量最大的电容器。

人教版《高中物理选修３-１》中第92页的“平行通电直导线之间的相互作用”实验，相信很多教师都有过失败的体验，即便是成功的，现象也不很明显，离学生的期望差距很大，实验效果不理想。要使实验现象明显，可行的办法之一是让平行导线中的电流大一些，而普通学生电源的电流容量很小，实际操作时如果不给导线串联限流电阻，学生电源很快进入保护状态，笔者改用负载能力最大的磷酸铁锂电池实验，结果电池也很快就损坏。

为此，笔者试着将一只耐压5.5V、容量为4F的超级电容器（淘宝售价仅4.5元）代替常规电源。先通过一个单刀双掷开关串联一个1.5欧的大功率电阻给超级电容充电，然后将开关的刀位掷向平行导线一侧，在产生电火花的同时，平行导体在水平方向上拉开，说明竖直方向的平行通电导体间有力的作用。后经多次连续演示，超级电容器平安无事，效果极佳。

在中学物理实验中，类似这样需要大电流的实验还有很多，比如上文提到的旋转的液体实验、通电导线与磁体通过磁场发生相互作用实验和奥斯特实验。相信我们只要稍加探索，不难找到用超级电容器解决的办法。

物理教学中应用3D打印的设想

3D打印技术是一种“快速成型技术”，不同于切削加工，3D打印是“增材制造技术”。3D打印机内装有液体或粉末等打印材料，与电脑连接后，通过电脑控制把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上的模型数据变成实物。3D打印无须机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本[3]。美国新媒体联盟发布的《国际教育信息化2013地平线报告》认为：在未来4～5年期间，3D打印将会被广泛采用，是可能会对教育教学产生重大影响的新兴技术[4]。可见，尽管3D打印的教育应用还远未成熟，但有必要对基础教育领域如何应用3D打印进行前瞻性探讨。

3D打印能够快速、低成本、更加真实地呈现物体的真实结构，这对于中学物理教学来说有重要价值。物理学科中有许多宏观或者微观的内容，如卢瑟福原子模型、波尔原子模型、各种物理装置的内部结构等，学生理解起来会碰到困难。如果将类似内容和抽象物理图景用3D打印机打印出来，使之变成实物，无疑能够化解学生的学习困难，提高他们的学习兴趣。在条件具备时，让学生将自己的想象打印成实物，更能有效地培养他们的创造力并获得深刻的感知体验。对于物理教师来说，3D打印的快速成型特性无疑在自制教具领域有重要价值。在教学实践中，物理教师往往有许多自制教具的灵感或设计方案，却因为材料难找或者造型加工困难而不得不放弃。3D打印技术的出现，完全可以解决这一困境，3D打印技术采用逐层叠加的原理进行生产，可以高效、高精度地将教师设计好的零件直接打印出来，教师所需要做的仅仅是在电脑上将这些零件的三维模型设计好。

目前，世界各国都对新技术、新材料的研发和市场开发日益重视。随着新技术革命的进行，各种行业将面临巨大的变革，教育行业自然不能例外，新技术必将对现有教学产生深刻的影响。可以预见，随着技术的不断进步和规模化生产的到来，新技术、新材料成本会随之下降，性价比会越来越高。将新技术、新材料引入中学物理教学，可以给学生提供了解科学发展前沿的窗口，引导他们将眼光投向学校之外的世界，使他们开阔视野，激发他们对物理学的兴趣和探求未知的强烈欲望。

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参考文献

【1】物理课程教材研究开发中心.普通高中物理课程标准实验教材3-1[M].北京：人民教育出版社，2007(1).

【2】凌云，刘世平.超级电容器在物理实验教学中的应用[J].教学仪器与实验，2011(3):23-24.

【3】3D打印照相馆创业需投资百万 10厘米人像近两千[DB/OL].http://www.3dop.cn/News/Domestic/2013/0324/84.html.

【4】新媒体联盟:国际教育信息化2013地平线报告[J].北京广播电视大学学报，2013(2)：7-12.

（作者单位：陕西榆林市电教馆）