• 李子平:科学探究之温度、电流、声音等的测量
     

    1、测量温度

    下面再来介绍一个“器”,测量温度的。刚才是测量风速,这个测量温度的仪器可能许多老师看到过。2004年春,SARS肆虐的时候,机场要检查旅客的体温,学校门口要检查学生进校的体温,就是用这样一个设备,对着旅客或者对着孩子的额头一照,看看他的体温是不是正常。

    这个测温的仪器,前面有一个点发射激光,让你瞄准被测的目标,下面有一个按钮,后面有个显示器。对准某一个目标照射,它就会测出来温度。(请老师测自己的体温)三十六点九度。为什么不是三十七度呢?我们说的三十七度标准的体温,是把温度计放在口腔里测的,这样就会准确些。但是可以比较啊,你在发烧的话,额头的温度肯定也会高。(对着墙测量)这里的温度,二十六点九度。我这个电脑,三十度,散热不太好。那么像这个仪器有什么用处呢?我们要拿着这个仪器去做我们的探究。

    我们来看看这所学校究竟拿测温器来做什么。这个探究活动的名称是——“探索热气球的秘密”。他们要探究热气球怎样才能飞得高,怎么样留空时间就会长。我给他们做了一个试验器,下图中那个黄颜色的东西叫热风枪,打开以后就会有热风从这上面吹出来,它的温度是可控的。你定到七十度它吹出来的风就是七十度;你定到八十度,出来就是八十度;最高可以到三百五十度。这个温度是可以自己控制的,而且是数控的,用后面的按钮去调节。这个支架的底座是一块废弃的砧板,上面这个管子是自来水管,是塑料的,PVC的,这个圆的架子是一个绣花用的绷架,把它固定在上面,这是第一个器械;

    第二个就是我们刚才看到的测温仪,第三个是一个秒表,第四个是一个电子秤。

    这个电子秤很小,我也给大家介绍一下。以前我们称重量有天平,或者用秤,这是一个掌上电子秤,最大称量是一百克,而且精度比较高,比如说我这儿一元钱有多重?六点零二克,拿一张一百元的,看看一百元的和一元的哪个重?怎么一百元的和一元的重量不一样啊,我想一百元的应该重一点儿,不是啊。比如说刚才那张卡纸称一下,零点五三克。

    像这样一个天平在科学探究中干嘛用呢?因为我们要考虑热气球本身的重量,研究课题里边有一个是“热气球用纸的轻重跟热气球飞的高度有关系吗?”所以他要先称那个纸,而且要把纸剪成一个平方厘米,然后放在上面称。我有三种不同的纸,三种纸的份量是不一样的,最后做好以后还要把气球叠起来放在一个比较大的,最大称量有五百克的那个电子秤上去称一下。有些老师说没有必要吧,我们说,对于小学生来说,这个过程是很有意义的。让他知道同一个面积的纸重量之间的区别和我做出来的热气球的重量的区别,当中有什么关系?单位面积纸的重量,跟做成大的热气球的重量之间有什么关系?所以给他配了一个这样的电子天平。

    在这个案例中,探究活动的器材就是这些——秒表、电子秤、红外测温仪。红外测温仪干嘛呢?他要对准气球里边的热空气测温度,到了一定温度以后放飞热气球,看它能不能飞上去;薄的纸和重的纸有什么区别等等。这就是利用我们刚才所说的一些“器”,来做科学探究的一个活动案例——热气球的秘密。秒表当然是为了计算热气球的留空时间。用那个超声波的测距仪可以看看它能飞多高,也可以综合应用,这就是他们做实验的一个过程。

    目前有这样两个课题:第一个是制作热气球所用纸张的重量,与其留空时间的关系;第二个是热气球内的空气温度,与留空时间的关系。后面还有新的课题,还在发展。

    2、电流的测量

    下面这个案例是利用万用表,万用表大家都很熟悉的,科技老师可能会经常用到,这个课题是什么呢?人造卫星上的太阳能电池板正对着太阳和斜对着太阳发电的效果一样吗?科学教材里有人造卫星和各种空间探测器,这些航天器上面都有太阳能电池板,孩子们非常感兴趣。

    这个探究活动要用两块或是三块太阳能电池板,斜放和正对着太阳放,测量它发出来的电流有多大,拿万用表就可以测出来。

    第二个课题就是,太阳能电池板的面积大小,就是说用几块串联起来或是并联起来,它的电流或电压会有变化吗?这个是比较普通的,比较容易做的一个课题,用到的“器”,就是一个万用表,还有两块太阳能电池板。

    3、声音的测量

    下面我们再来讲一个“器”。就是测量声音的。测量声音的“器”我们把它叫做声级计,或者叫做噪音计,前面是一个麦克风,就是话筒,下面有一个屏幕和一些按钮,主要是要测周围环境里边的音量。

    老师们来看一下,有相关的资料对照,看看这个概念是怎么样的。它测量的时候,用处蛮多的,比如说用于剧场、音乐厅设计的音质控制;环境噪音测量(如工厂、办公室、道路、家庭等各种场合的噪音测量)单位当然是分贝。我们来看看分贝是什么意思,做一个类比,就是哪一个环境下噪音音量会达到多少分贝,请一位老师把这个资料读一下(老师读资料)。

    从资料中,大家可以知道,110分贝是螺旋桨飞机起飞时的声音;窃窃私语是20分贝,这样一个范围里边,大家可以对照一下。像我们现在这个情况,应该是多少分贝呢?大家静悄悄的,现在是五十分贝,相当于正常交谈的声音。

    再请一个老师来念这个好吧(教师念资料)。

    大家可以看到,噪音对我们的影响也是蛮大的。

    我们的探究活动的案例,第一个就是噪音对某些动物生活的影响。我在30年前做过这样一个实验——噪音对小白鼠生活的影响。小白鼠放在一个饲养笼里边,上面放个扬声器,接了一个信号发生器,让扬声器“嘟——”响着,然后用分贝器去测多少分贝。刚放进去,那个毛茸茸的老鼠还挺肥的,我一开声音,两天以后小白鼠的毛都竖起来了,也不想吃东西了,过了一个星期以后它就死掉了。现在老师不要带孩子去做这个实验,要不然人家去告你虐待动物。

    像这样的实验让大家知道,噪音对人类的生活与健康会有很大的影响,也是应该限制的。现在许多马路上都有禁鸣标志,就是不能超过多少分贝,喇叭不能乱按。

    有些活动学生可以去做,例如:“某社区噪音情况的调查”。有意义而且比较容易做。还有某交通要道噪音情况调查;某校区噪音情况调查,这些调查报告都可以提供给相关环保部门作参考的。

    你比如说我们上海有所学校,外面正好是条大马路,同学们就去测噪音,测出来超过标准,向环保部门反映,政府很重视,每当要有考试了,这里就进行交通管制,或者派警察在那里站岗,禁止汽车按喇叭。

    有了测量仪器,诸如此类的科技活动很容易开展,学生很感兴趣,并且符合我们现在环保的理念。

    所以说,有了这个“器”,可以用来做许多探究活动。不知道各位老师了解这个情况以后,会想出什么新的方案吗?

    这所项目学校的语文老师也参与探究活动设计,语文课本里有篇课文叫《蝙蝠与雷达》,课文里讲,蝙蝠用超声波来探测周围的环境。找小虫子啊,控制飞行的方向啊等等。课文牵涉到雷达,雷达的原理跟蝙蝠是一样的,尽管它们使用两种不同的波,蝙蝠用超声波,雷达是用无线电波。

    这个探究活动要研究的是什么呢?蝙蝠为什么长了一对大耳朵?雷达是不是也要长个“大耳朵”?

    他们设计了这样一个实验:用一个太阳灶的镜面做反射罩,相当于蝙蝠的大耳朵,前面做了个架子,放了噪音计,在一定距离,比如说五米,用哨子“嘟——”一吹,放了反射罩的,因为有声聚焦的作用,测到的值就会大;然后把这个罩拿走,没有耳廓了,测到的声音分贝数就低。这个实验证明,原来这个大耳朵耳廓是聚焦声音的。雷达和观测太空的射电望远镜因为同样的道理,也要做很大的“耳朵”。

    目前已经投入使用的最大的一个“大耳朵”直径有350米,位于美国波多黎各岛,固定在天然火山口当中。

    我国贵州省正在建设的射电望远镜直径更大,达到500米,建在一个名为“大窝凼”的山洼洼里。

    在山里边做了一个这么大的“大耳朵”,是为了收集从宇宙空间传来的无线电波,要跟宇宙生物通话啦。

    其实,我们做这个探究活动还有很多办法,只要设法把耳廓加大一点,听我讲话的声音就会大一点,各位老师可以试一下。

    现在这个实验学校已经做了,而且效果蛮好的。孩子们都了解了为什么蝙蝠的耳朵这样大,我们雷达的天线为什么要这么大,原来是这个道理。这样的活动小朋友也很感兴趣。

    4、光照的测量

    下面我们再来看,测量照度,跟光有关的,实际上跟我们的生活也有很大的关系。请看这是一种型号的照度计,也是一个传感器,它是乳白色的,光照在上面就可以均匀地传到里边的一个光传感器上;这儿是一个采集器,打开以后就会有数字出现,放在不同的地方,上面的数据就会不同的。现在是多少?816,如果我放在太阳光底下就会有不一样的反应。

    在我们生活当中或者是在一些单位里边常常要用到它,大家都看看屏幕上面的资料,教育部有规定的,学校不同的房间有不同的照度要求,你们可以拿这个去找校长去,教室里边照度不够哇,要加灯啊,或者什么地方太暗了要亮一点。这个资料我请老师来念一下,大家体会一下(教师念资料)。

    看起来我们这儿的照度应该还可以吧,816,是属于会议室的光照范围里。

    这个器械也是非常好用的,它用在哪个课题里边,用在哪个探究活动里边呢?我们来看一下。这个探究活动案例是这样的,因为这所学校的项目是航空航天,他们设计的项目就是——“神七”宇宙飞船为什么要用LED灯做出舱灯?

    航天员从舱里出来以后有个灯,是用LED作为光源的,他为什么用这个,不用电灯泡,不用日光灯泡,要用LED灯呢?

    学校的师生用几种不同的灯来做实验,实验结论首先是为了省电,因为宇宙飞船飞在天上所获得的能源非常有限,不省电的话那个太阳能电池板发出来的电可能会不够用。

    他们比较这三种不同的灯:荧光节能灯、LED灯和白炽灯,测量三种不同的灯节能的情况,用到了这个光度计。他们取的这三个灯的瓦数是一样的,比如说都是二十瓦,但是它发出来的光照度是不一样的,LED灯最亮,荧光节能灯差一点,白炽灯就更差一点。从而推测出LED灯是最省电的,正好适合于宇宙飞船上的需要。做的方法就是分别点亮相同瓦数的节能灯、白炽灯和LED灯,利用照度计测量它们的亮度,分析所测量的数据,你能解释宇宙飞船为什么要用LED灯吗?这是他们利用照度计来完成的探究课题。

    5、综合测试

    下面这个我们把它叫做综合测试——无线气象站。这种器械有两种不同的型号。第一种无线气象站可以测量风速、气温、光照、雨量、气压、露点等信息,并作公告。在学校前面挂一个显示屏可以出来即时的气温气压等等信息,而且可以储存一年到两年的天气情况。探测器和记录器之间是无线的,300米范围,探测器放在楼顶,或者放在校园的那一边学生看得到的地方,纪录仪器是放在房间里的,当中没有电线连接,它随时随地可以告诉我们天气情况。你设定以后它还可以发出警报,例如气温低到了某一个温度以后,它给你一个警报,这上面会发出灯光或发出响声。

    第二个是一个改进型的无线气象站,它加了紫外线辐射和太阳辐射探测这样两个功能,所以我们把它叫做综合测量。其实像这样的东西在我们山区学校是蛮有意思的。以前我们用的测量天气的器械,大家都还记得,是一个百叶箱,里边有温度计、湿度计,外面还有风速计、雨量筒等等。气象站对培养学生的长期观察能力是很好的,上海市的游余老师,他带领学生连续观察二十年,所有的记录都完整地保存着。像这样的无线气象站,有些老师可能会有异议,说你培养学生的观察能力好像减少了。我想,随着科技的进步,先进的“器”给了我们许多便利,也给了我们更先进的方法,更准确,更高效。要翻以前的记录资料也方便多了。就像我们现在用手机一样。手机如此普及,功能越来越强大,我们的其他能力是不是会减弱呢?不会的。想想我们以前到公用电话亭去打电话的时候,要等多久哇。

    我们跟老师接触当中,知道了兴山这个地方也有许多科技活动可以做的。能不能在当地找一些科技方面的课题,来做一些探究呢?对山区孩子来说,会使他们更聪明,更自信,眼光更开阔。我听马老师说,你们曾经做过一个在不同的海拔高度烧水,水的沸点是不一样的这个实验。看来好像是一个很简单的题目,但是兴山能够做到的,其他地区不一定能做得到。比如佘山是上海最高的山,海拔只有80米,海拔高度差别拉不开,测不出来,而兴山这里可以做。

    山区还有很多题目可以做的。有老师说他们那边小水电很发达,能不能做些小水轮机,研究它的叶片大小,还有水位的高低和水轮机转动快慢的关系?我觉得不要浪费你们这个地方的资源。多考虑一些因地制宜的课内课外的探究。

    6、综合测量

    下面讲综合测量,这个可能就更复杂了。用一个数据采集器,它和传感器连接在一起,组成一个采集中心。

    数据采集中心就是现在我手里拿的,当然各种形式都有,我今天拿的是一个韩国产品,它主要是为中小学生设计的,里边都是些童话,而且现在已经翻译成汉语了,还是比较好用的。尤其是在教育部赠送给贫困地区的实验箱里边,就有传感器和采集器。这个采集中心可以做很多事情,可以做的探究的案例很多。

    例如:探究一杯水温度的变化,测量小车运动的速度,测量一天中的温度变化等等。这些都是科学课上非常必要的测量活动。

    这里列出来二十七种,其实还有更多,这和你配的传感器的数量很有关系。实验箱里配的都是跟小学科学课有关系的,已经送给了三十几个贫困县吧,科技部赠送的。这样的器械到了学校,老师们是不是会用?希望能加强培训。它确实是一种比较好的“器”。

    现在上海的高中、初中,发达国家的小学都在用这些器械,韩国也是如此。可能一段时间以后,我们的小学也会用到它。今天只是初步介绍一下。比如说音叉和传感器连接就会有波形出来,这个小鼓也是,敲打以后声音的强度会出来,这是噪音减少装置,它是一个用泡沫塑料做的盒子,里边放一个钟,“哒哒哒哒”会响的,这个声音传感器放在外面,和没有放这个隔音盒的时候比较噪音的大小等等。这里只是一个初步的介绍,让大家知道一下有这么回事儿。如果以后科技部送东西到你这个地方来,你会用,用得上。我的第一部分就讲这些。

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