高中物理教学中融合初阶工程测量的实践

摘   要：以“液面高度测量方法的比较”专题学习为例，将高中物理教学与初阶工程测量进行融合教学。分别用直接测量法、浮子推动变阻器测量法、传感电路测量法、电容器电路测量法和LC振荡电路测量法等测量液面高度。不同测量方法的对比，可引导学生在学习物理知识的同时，关注科技与工程，培养学生的物理核心素养。

关键词：物理教学；融合；初阶工程；间接测量；液面高度

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）10-0067-4

物理学是人类在认识、利用自然规律，并在生产生活实践活动中产生和发展的学科。物理学家经常为他们的新发现寻找实际应用，工程师则认为圆满地解决技术问题的前提是探索自然规律的相关知识［1］。由于物理学和工程技术应用之间互相渗透，适当将工程内容引入到物理教学的行为值得提倡和鼓励。

1    高中物理教学与工程的融合

1.1    融合的必要性

物理教学的需要。对于高中物理教学而言，适当引入工程实例作为教学情境，可以激发学生学习物理的兴趣，促进其对物理定理和公式的理解。同时，也能促进教师对教学资源的整合重组。教学不能拘泥于原有的课程安排，要根据学情重组教学资源。由于物理学已渗透到各项生产生活中，物理教学会很自然地涉及到应用领域。这要求实际教学目标要具体化，知识与应用的关联要有针对性。

发展能力的需要。现在的评价方式往往是“纸笔测试”，但纸笔测试成绩并非与能力成正比。从学理上说，能力是指个体为了解决来自某一既定情境群的任何情境而调动一套被整合的资源的可能性［2］。物理教学要重点指导学生理解各种情境中的物理原理和基本科学方法，培养其解决实际问题的能力。因此，将初阶工程测量融合到物理课程设计是较优的选择。

为国育才的需要。当前科学技术发展一日千里，一个合格的公民必须要学习掌握先进的科学技术，才能够应对来自各种层面的挑战［3］。所以，将初阶工程融入物理教学中，显得十分必要。

1.2    融合的原则

任何教学模式的实施，都要先调查清楚教师的水平、学生的基础和现有的教学资源，再根据实际情况探索最佳的教学方式［4］。考虑到高中生的认知水平和思维能力，融合工程实例时要适当且简易，不可牵强地引入过于复杂的原始问题。不然，会适得其反。所以，必须从“初阶”入手。物理学习中，“测量”无疑是最初阶的物理应用。这一点集中体现在初、高中课程设计及中、高考试题中，常会考查规范测量与正确读数的问题。

2    高中物理教学与工程初阶融合的实践

测量就是未知量与某一标准的比较，并且将测量结果数据化的过程。现代生产生活中，液面高度的测量非常普遍。有许多贮放液体的容器需要测定液位。液面高度的准确测量为生产提供重要参数，也能体现监测水平。笔者以“液面高度测量方法的比较”专题学习为例，尝试融合高中物理与工程的教学，取得了较好的效果。

2.1    直接测量法

液面高度的检测方法有很多。可通过“标尺”直接测量（图1）。这一点类似于实验室中观察量筒液面高度的变化。但这种方法要求标尺具有“可视化”特点，要求液面要“宽”。量筒测量法则要求容器透明，液面与标尺刻度要“贴着”对比（图2）。

许多电气设备或油罐的材质都不透明，相当于“暗箱”。而且出于安全考虑，罐口都较小，或者直接封口。即使能把“尺”放入，也看不见标度。因此，一般都采用间接测量法，先将“液面变化的信息”转化为“可视化信息”，再通过观测这些“可视化信息”，来了解“液面变化的信息”。下面，介绍几种间接测量法。

2.2    浮子推动变阻器测量法

2.2.1    物理原理

闭合电路欧姆定律，滑动变阻器原理。

2.2.2    装备

图3是一种测定油箱内油量的装置。滑杆可以绕固定轴O转动，一端与滑动变阻器的滑片连接，另一端固定着一个浮子。因此，滑动变阻器的电阻与浮子的高度h（液面的高度）有关，可记为R（h）。另外，电路中还存在一个定值电阻，其阻值为R0。

2.2.3    物理过程

当油箱中的油面下降时，浮子会随液面落下，带动滑杆使滑动变阻器滑片接触点向上移动。在此过程中，电流表的示数会发生变化，其与电阻之间的关系满足

于是，电流表示数I便与液面的高度h联系起来。把电流表刻度盘改为相应的油量体积参数，就可以直接读出油箱中的油量了。

2.3    传感电路测量法

2.3.1    物理原理

闭合电路欧姆定律，传感器原理。

2.3.2    装备

一些汽车的低油位报警装置中，油箱的警戒液位由含热敏电阻的电路检测。将置于油箱中的热敏电阻接入一个闭合电路中，通以一定的电流，热敏电阻会发热。

2.3.3    物理过程

热敏电阻阻值随温度的变化规律如图4所示。当液面高于热敏电阻时，热敏电阻散发的热量会被液体带走。此时，热敏电阻温度较低，阻值较大，指示灯不亮，如图5（a）所示。当热敏电阻露出液面时，较差的散热效果使其温度上升，阻值较小，指示灯亮，如图5（b）所示。因此，通过观察指示灯就可以判断液面是否降低。

采用类似的方法，还可以把“热敏电阻”改为“压敏电阻”，把压力信息转化为电流信息（图6）。通过电流表的读数变化，判断液面是否降低，还可以把读数转化为图标信息（图7）。

小结：浮子推动变阻器、传感电路，本质是液面变化引起电阻的变化，从而改变闭合电路电流大小。反过来，电流表读数（或灯泡亮度）反映液面高度的变化。

2.4    电容器电路测量法

2.4.1    物理原理

电容器结构变化及充放电过程的电流方向对比。

2.4.2    装备

矿井的水位检测器和电路示意图分别如图8（a）和（b）所示。其中，A为固定铜芯，B为玻璃，D为矿井中含杂质的水，三者组成一个电容器。

2.4.3    物理过程

电容器充电和放电时的电流方向是相反的。开关闭合瞬间，电容器处于充电状态，电流计的指针向左偏转。

开关K闭合后，若矿井水面上升，电容器两极板正对面积S增大，而两极板间距d及相对介电常数εr都不变，根据

可知，电容C变大。在电压U不变的情况下，再由

可知，A所带的电荷量Q增多，相当于继续充电，指针向左偏转。反之，矿井中的水面下降，相当于电容器两极板正对面积S减少。由（2）式可得，电容C变小，A所带的电荷量Q减少，相当于放电，指针向右偏转。所以，根据指针的偏转方向就可以判断液面高度的变化。

2.5    LC振荡电路测量法

2.5.1    物理原理

电容器结构变化及LC振荡电路中电流频率的对比。

2.5.2    装备

如图9所示，为了测量液罐中不导电液体的高度，将平行金属板电容器置于储罐中（与液罐外壳绝缘）。电容器露在液罐外的部分，通过开关与电源或电感相连，实现充电与放电。

2.5.3    物理过程

先将开关拨到a，给电路充电。再从a拨到b时，电容与电感构成的回路中会产生振荡电流，其波形如图10所示。在极板面积、极板间距一定的条件下，液面高度降低时，介电常数减小，由（2）式可知，电容变小。再由

可知，波形图的周期变小。所以，根据波形图周期的变化，就可判断液面高度的变化。

小结：电容器类及LC振荡电路类，均与电容器有关。液面高度的变化会影响电容大小，使电流表指针偏转方向或LC波形图的周期发生变化。反过来，电流表指针偏转方向或LC波形图的周期变化可反映液面高度的变化。

此外，还可以用回声仪、音叉液位计、磁致伸缩液位计等监测液面变化。在工程测量中，比如石油开采，油井液面与井口相距较远，井身并非严格的竖直方向。随着生产的进行，油井温度和压力都会发生变化。井中的各种流体、固体的性质和状态也随之改变［5］。正是基于如此复杂的因素，油井液面变化就不是以上四种方法就可以确定的。此时，可利用声波法。回声仪放出声波，得到的回声波信号经过放大后转换为数字化信号，并在计算机上进一步分析、解释和自动化监控。

3    高中物理教学与工程融合的策略

将高中物理教学与初阶工程测量融合时，仅仅培养科学思维、归纳研究方法并不够，还要尽力为学生创造一个科学探究的环境。实验是物理课程改革的重要环节，物理量的测量需要学生“动手测一测”，从而体验探究过程（图11）。在提高学生动手能力的同时，又加强了他们的理解。由于乡镇中学经费紧张，仪器短缺，其实验教学条件远不如城市中学。但是，物理教师可以简单地加工处理价格低廉的材料或生活中的“坛坛罐罐”，自制低成本物理实验教具，进行简单的物理实验［6］。

除了引导学生正确掌握实验测量技术外，还要注意实验数据的处理及分析方法，并从实验结果中得出相关物理规律［7］。随着信息技术的发展，实验数据处理方式已呈现出多样化。因此，教师要拓展教学思路。例如，用Excel等软件辅助教学（图12），使之较直观地反映物理规律［8］，也有利于学生对知识的获取与巩固。

4    教学反思

教育心理学指出，知识应用是掌握知识的重要环节，物理知识与技能的学习更是如此。在“液面高度测量方法的比较”的专题学习中，以工程应用作为教学情境，系统比较了直接测量法、浮子推动变阻器测量法、传感电路测量法、电容器电路测量法、LC振荡电路测量法等在教学中的应用，并将物理测量知识渗透进来。学生在学习物理知识的同时，也会关注科技与工程，开阔了视野。

实际上，高中教育在拔尖创新人才的培养过程中有着特殊的地位。物理教师要阅读国内外的优秀教材及相关文献，拓宽视野。同时，还要处处留心、有意积累，及时跟踪科学技术的发展及应用。要广泛地收集相关案例，并以一种恰当的方式将其作为学习情境融于教学，提高课堂效益。

参考文献：

［1］F·J·BUECH.物理学导论［M］.殷大钧，等，译.北京：人民教育出版社，1980：332.

［2］易克萨维耶·罗日叶.整合教学法：教学中的能力和学业获得的整合［M］.汪凌，译.上海：华东师范大学出版社，2009.

［3］曹则贤.军事物理学［M］.上海：上海科技教育出版社， 2022：10.

［4］穆良柱.什么是ETA物理教学法［J］.物理与工程，2020， 30（2）：32-36.

［5］林立星.声波法测油井动液面信号辨识技术研究［D］. 北京：中国石油大学，2011.

［6］方武增.利用铝制易拉罐自制的几个物理教具［J］.物理教师，2016，37（4）：51-52.

［7］李潮锐，吴深尚.物理实验创新教育的探索与实践［J］. 物理实验，2005，25（4）：25-27，31.

［8］方武增.教辅软件进课堂，生成成自然——利用Excel软件分析物理题实例［J］.物理教学，2017，39（6）：53-54.