提高課堂探究的有效性 注重發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用

溫博

《感應(yīng)電動(dòng)勢與電磁感應(yīng)定律》是魯科版高中物理選修3-2模塊第1章《電磁感應(yīng)》第2節(jié)的內(nèi)容，本章第1節(jié)是磁生電的探索，通過探究實(shí)驗(yàn)得出感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件，為感應(yīng)電動(dòng)勢的探究奠定了基礎(chǔ)。本節(jié)內(nèi)容不僅是本章內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是電磁學(xué)的核心，揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。

高二的學(xué)生歸因興趣以及概括認(rèn)識興趣較強(qiáng)，樂于探索物理現(xiàn)象背后的原因，具備一定的物理探究能力。學(xué)生在3-1模塊的學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握了電場和磁場的相關(guān)知識，在前一節(jié)的學(xué)習(xí)中學(xué)生知道了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過探究理解感應(yīng)電流產(chǎn)生條件，這為本節(jié)課學(xué)生的探究和知識的類比與遷移奠定了基礎(chǔ)。學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)理解不夠透徹，容易混淆感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流間的因果關(guān)系；對磁通量、磁通量的變化量和磁通量變化率這三個(gè)概念的混淆，增加了學(xué)生探究物理規(guī)律的難度；學(xué)生要實(shí)現(xiàn)由定性關(guān)系到定量關(guān)系的過渡，認(rèn)知上存在一定障礙；學(xué)生設(shè)計(jì)及動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰^弱，較難定量探究影響感應(yīng)電動(dòng)勢的影響因素及其數(shù)學(xué)關(guān)系。為了突破這一重難點(diǎn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)了如下一堂基于科學(xué)探究的規(guī)律探究課。

一、利用學(xué)生課堂活動(dòng)“搖繩發(fā)電”導(dǎo)入新課

教師提供長導(dǎo)線，并與微電流傳感器連接，請學(xué)生利用“磁生電”的知識，思考如何利用長導(dǎo)線發(fā)電，請兩名學(xué)生先緩慢搖繩再快速搖繩，搖繩同時(shí)教師突然斷開電路，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并回答問題。

二、探究教學(xué)

1.創(chuàng)設(shè)問題情境，引出探究主題

教師提問1：實(shí)驗(yàn)利用什么原理發(fā)電？

教師提問2：裝置中的哪部分相當(dāng)于電源？

教師提問3：如何操作使感應(yīng)電流增大？

教師啟發(fā)并總結(jié)出感應(yīng)電動(dòng)勢的概念，引導(dǎo)學(xué)生分析感應(yīng)電動(dòng)勢與感應(yīng)電流的關(guān)系，揭示電磁感應(yīng)的本質(zhì)。

教師提問：如何獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢？影響感應(yīng)電動(dòng)勢的大小的因素有哪些？

2.學(xué)生自主探究—“如何獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢？”

學(xué)生2人為一小組，全班分為甲乙兩大組，兩組實(shí)驗(yàn)桌上的儀器不同。學(xué)生小組合作完成實(shí)驗(yàn)和探究學(xué)案。

甲組學(xué)生實(shí)驗(yàn)桌上有如圖1所示器材：螺線管、磁性不同的條形磁鐵、電壓表、開關(guān)、導(dǎo)線若干。乙組學(xué)生實(shí)驗(yàn)桌上有如圖2所示器材：鐵架臺、線框、懸線、U型磁鐵若干、靈敏電流計(jì)、開關(guān)、導(dǎo)線若干。

學(xué)生小組合作，自主選擇儀器盡可能獲得較大的感應(yīng)電動(dòng)勢，教師巡視指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，請每大組中儀表指針偏轉(zhuǎn)較大的小組展示交流獲得較大感應(yīng)電動(dòng)勢的方法并歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論和猜想。

學(xué)生根據(jù)自主探究實(shí)驗(yàn)提出猜想，甲乙組的猜想有所不同，教師將兩組結(jié)論總結(jié)匯總。類比比值定義法得出加速度概念的過程，引導(dǎo)學(xué)生得出表示磁通量變化快慢的物理量——磁通變化率即。

教師分析甲、乙組學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓残裕杭捉M螺線管的橫截面積不變，通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度使通過閉合回路的磁通量改變；乙組磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，通過改變回路圍成的面積使通過閉合磁通量改變。兩組實(shí)驗(yàn)影響感應(yīng)電動(dòng)勢的因素的共性是使磁通量發(fā)生改變。

教師提問：磁通量變化率和B、l、v之間有什么內(nèi)在聯(lián)系呢？

教師通過多媒體展示一根導(dǎo)體棒勻速切割勻強(qiáng)磁感線的過程（如圖3），推導(dǎo)此時(shí)磁通量變化率的表達(dá)式。

教師指明導(dǎo)體棒勻速切割勻強(qiáng)磁場的過程是電磁感應(yīng)一種特殊情況，當(dāng)B、l一定時(shí)，磁通量的變化率就取決于垂直切割磁感線的速度v。

教師歸納總結(jié)學(xué)生猜想的影響因素有：磁通量變化量△Φ，磁通量變化率。

3.師生共同定量探究：法拉第電磁感應(yīng)定律

（1）教師分析學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)存在的問題：由于實(shí)驗(yàn)器材不夠精密，磁通量變化量以及變化快慢不好控制，學(xué)生只能發(fā)現(xiàn)定性規(guī)律。

（2）定量實(shí)驗(yàn)探究。探究實(shí)驗(yàn)1：控制磁通量變化率不變，探究感應(yīng)電動(dòng)勢E與磁通量變化量△Φ是否有關(guān)。

教師展示并介紹實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。利用強(qiáng)磁鐵、力學(xué)軌道、小車、線框、光電門、傳感器，精心設(shè)計(jì)了如圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置，它可以探究E與△Φ的關(guān)系。

（是正對強(qiáng)磁鐵槽，它們中間的磁場可以看成勻強(qiáng)磁場。是一個(gè)力學(xué)軌道，軌道上有一輛小車。小車上固定了一個(gè)線框。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)起來線框紅色這一段進(jìn)入磁場切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。）

教師提問1：如何才能做到保持不變呢？（引導(dǎo)學(xué)生回想切割模型的推導(dǎo)）

學(xué)生回答：控制不變，只要讓線框勻速切割磁感線。學(xué)生思考后可能提出如下方法：就像驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，把軌道的一端適當(dāng)調(diào)高，也可用拉力來平衡。

教師提問2：可是線框進(jìn)入磁場的過程中，不但小車受到摩擦力，線框還受到安培力，該如何平衡這兩個(gè)力呢？（教師展示用細(xì)線通過定滑輪掛上重物，用拉力來平衡這兩個(gè)力。）

教師提問3：那又應(yīng)如何測量感應(yīng)電動(dòng)勢呢？

學(xué)生回答：電壓表

教師展示數(shù)據(jù)采集裝置——電壓傳感器及光電門，并通過多媒體課件動(dòng)畫演示擋光片勻速通過光電門1的過程（如圖5），分析得出線框勻速進(jìn)入磁場切割磁感線的過程中，磁通變化率保持不變，時(shí)間t不斷增大，回路中磁通量Φ不斷變大。

通過光電門記錄下小車帶著擋光片經(jīng)過光電門的遮光時(shí)間Δt，同時(shí)光電門觸發(fā)電壓傳感器記下?lián)豕鈺r(shí)間Δt內(nèi)每個(gè)瞬間的感應(yīng)電動(dòng)勢E。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅可以記錄數(shù)據(jù)還可以畫出感應(yīng)電動(dòng)勢E和時(shí)間t的數(shù)據(jù)圖像。

老師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的如下圖像1，學(xué)生分析圖像總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在t不斷變大，即ΔΦ不斷變大的過程中，感應(yīng)電動(dòng)勢E并沒有變化。這就說明電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，因?yàn)榛芈反磐孔兓a(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，但當(dāng)ΔΦ≠0時(shí)，ΔΦ大小并不決定E的大小。

接著連接光電門2（如圖6），通過光電門2 的過程中（3到4位置的過程）線框全部進(jìn)入磁場中，兩條邊均切割磁感線，探究此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢隨時(shí)間變化情況。

教師提問4：為什么感應(yīng)電動(dòng)勢為零？

學(xué)生回答：通過閉合回路磁通量沒有發(fā)生改變。

總結(jié)探究實(shí)驗(yàn)1的結(jié)論：在磁通量變化率一定時(shí)，ΔΦ≠0時(shí)，ΔΦ大小并不影響E的大小。

探究實(shí)驗(yàn)2：探究感應(yīng)電動(dòng)勢E和磁通量變化率的關(guān)系。

教師提問1：那如何做到多次改變呢？

學(xué)生回答：讓線框以不同的速度進(jìn)入磁場切割磁感線。

由于擋光片的寬度一定時(shí)，每次通過磁通量變化量均為△Φ。教師在小桶內(nèi)加鉤碼，使小車做加速運(yùn)動(dòng)，讓小車從不同位置出發(fā)保證線框以不同速度進(jìn)入磁場，每次出發(fā)后通過光電門的擋光時(shí)間（也就是每次磁通量變化△Φ所需要時(shí)間）是不同的，它們都被光電門記錄下來，這樣就做到了多次改變。

教師提問2：ΔΦ不變時(shí)，探究E與的關(guān)系就相當(dāng)于探究E和哪個(gè)量的關(guān)系？

學(xué)生回答：與 的關(guān)系。

教師進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，得到如下圖像3所示。

教師提問3：根據(jù)圖像得到什么結(jié)論？

學(xué)生回答：得到一條過原點(diǎn)的直線，說明E與成正比，即與成正比。

教師歸納總結(jié)得出法拉第電磁感應(yīng)定律。

三、法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)用

教師介紹法拉第電磁感應(yīng)定律在手壓式自發(fā)電手電筒（圖7）中的應(yīng)用，為學(xué)生展示裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（如圖8、9）。連軸通過齒輪帶動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)，與金屬導(dǎo)體片發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于導(dǎo)體片轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，使燈泡發(fā)光。

教師引導(dǎo)學(xué)生從應(yīng)用中抽象出物理模型，導(dǎo)體棒繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)切割勻強(qiáng)磁場。教師提示推導(dǎo)的方法（），學(xué)生課下完成推導(dǎo)作業(yè)。