高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新探討*
——以“探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小”教學(xué)為例

(1. 江蘇省無(wú)錫市立人高級(jí)中學(xué),江蘇　無(wú)錫　214000;2. 江蘇省無(wú)錫市教育科學(xué)研究院,江蘇　無(wú)錫　214000)

1　引言

筆者參加了2017年無(wú)錫市高中物理優(yōu)質(zhì)課比賽,上課的內(nèi)容是人教版選修3-2第四章第四節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”,授課對(duì)象是高二學(xué)生,由于法拉第電磁感應(yīng)定律比較抽象,思維能力不強(qiáng)的學(xué)生難以接受,筆者通過(guò)層層推進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)化解教學(xué)重難點(diǎn),讓學(xué)生重演物理知識(shí)的發(fā)生過(guò)程,結(jié)合科學(xué)猜想和實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生認(rèn)知法拉第電磁感應(yīng)規(guī)律的建立過(guò)程,在教學(xué)過(guò)程中注重提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

2　問(wèn)題與探究

2.1　體驗(yàn)新知

學(xué)生既然已經(jīng)知道了電磁感應(yīng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因是因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì),那么感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和哪些因素有關(guān)?

為此筆者設(shè)計(jì)了“比一比”實(shí)驗(yàn)，裝置如圖1所示,學(xué)生通過(guò)插拔磁鐵,比一比誰(shuí)能讓電流計(jì)產(chǎn)生最大的指針偏轉(zhuǎn)。通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)討論,兩位同學(xué)代表參與對(duì)比演示。用兩條磁鐵快速插入匝數(shù)多的線圈時(shí)，明顯發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)較大。

圖1

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比賽激發(fā)學(xué)生興趣和疑問(wèn),怎么樣才能使得自己的靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)最大?兩條磁鐵如何放置?是同向還是異向放置?線圈選取匝數(shù)多的還是少的?插入速度是快還是慢?通過(guò)對(duì)比，讓學(xué)生從觀察操作上升到理性思考,注重學(xué)生提出的物理量和n、Δt、ΔΦ三個(gè)量之間的轉(zhuǎn)化銜接,學(xué)生的設(shè)想不一定一步到位,最終在教師引導(dǎo)下總結(jié)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與n、Δt、ΔΦ有關(guān)。本環(huán)節(jié)以師生互動(dòng)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和語(yǔ)言表達(dá)能力,同時(shí)鑒于學(xué)生已有認(rèn)知的不足,需要加強(qiáng)指導(dǎo),培養(yǎng)深入分析、歸納能力，為進(jìn)一步探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與這些因素的定性關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

2.2　定性探究

“比一比”實(shí)驗(yàn)得出了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與n、Δt、ΔΦ有關(guān)，那么感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與n、Δt、ΔΦ有什么樣的定性關(guān)系?學(xué)生自己產(chǎn)生疑問(wèn)，并且?guī)е鴨?wèn)題進(jìn)一步去思索。探究一個(gè)量與幾個(gè)量之間的關(guān)系,當(dāng)然采用控制變量法,仍然用“比一比”的實(shí)驗(yàn)裝置,進(jìn)行分組探究：(1)保持n、ΔΦ不變,探究E與Δt的關(guān)系;(2)保持n、Δt不變，探究E與ΔΦ的關(guān)系;(3)保持Δt、ΔΦ不變,探究E與n的關(guān)系。

通過(guò)分組探究,我們發(fā)現(xiàn)：(1) 保持磁鐵的個(gè)數(shù)不變,插入的初末位置固定,改變插入速度，可得時(shí)間越長(zhǎng),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越??；(2) 保持線圈匝數(shù)和插入速度不變,增加條形磁鐵的個(gè)數(shù),固定插入的初末位置，可得磁通量的變化越大,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大；(3) 保持插入速度和條形磁鐵個(gè)數(shù)以及插入初末位置一定,增加線圈匝數(shù)，發(fā)現(xiàn)匝數(shù)越多,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)越大。

本環(huán)節(jié)進(jìn)一步讓學(xué)生定性探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與n、Δt、ΔΦ的關(guān)系,滲透了控制變量的思想。至于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與匝數(shù)的關(guān)系,學(xué)生可以通過(guò)邏輯推理實(shí)現(xiàn)。單匝線圈相當(dāng)于一節(jié)電池,多匝線圈相當(dāng)于多節(jié)電池串聯(lián),所以E∝n，這里體現(xiàn)了科學(xué)思維的魅力。對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與Δt、ΔΦ的關(guān)系，學(xué)生可以定性猜想E∝1/Δt、E∝ΔΦ等諸多情況。

本環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生有問(wèn)題時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究解決問(wèn)題的意識(shí),明確物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科的真實(shí)含義,使學(xué)生樂(lè)于探索,勇于探究,同時(shí)也讓學(xué)生在探究過(guò)程中體驗(yàn)挫折。學(xué)生很難得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和這些量的定量關(guān)系，只能定性猜測(cè),為了探究過(guò)程的完整性和實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力,迫切需要新的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的定量實(shí)驗(yàn)也就應(yīng)運(yùn)而生了。

2.3　定量探究

為了減小實(shí)驗(yàn)誤差、提高精度，筆者選擇了基于Arduino和Flash的DisLab實(shí)驗(yàn)。強(qiáng)磁鐵插入線圈，從而磁通量改變，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)。該裝置可記錄通過(guò)光電門的時(shí)間Δt和記錄通過(guò)光電門過(guò)程中線圈兩個(gè)位置的ΔΦ(如圖2、3)。

圖2

圖3

同樣我們采用控制變量法，定量探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與Δt、ΔΦ的關(guān)系。

定量探究一(E與Δt的關(guān)系):使用同一根條形磁鐵保持ΔΦ相同,改變斜面坡度使小車從同一位置下滑,使通過(guò)光電門的時(shí)間不同,記錄多組E與Δt數(shù)據(jù)(如圖4、5、表1)。

圖4

圖5

表1

使用Excel對(duì)計(jì)算機(jī)所讀時(shí)間Δt進(jìn)行倒數(shù)處理,作出E與1/Δt圖像,發(fā)現(xiàn)圖像大致通過(guò)原點(diǎn),可得E∝1/Δt(如圖6)。

圖6

定量探究二(E與ΔΦ的關(guān)系):保持小車從同一高度下滑使Δt相同,使用電磁鐵、增加電流倍數(shù)n，使ΔΦ成倍增加,記錄磁場(chǎng)倍數(shù)和E的數(shù)據(jù)(如圖7、8、表2)。

圖7

圖8

表2

使用Excel作出n-E圖像,發(fā)現(xiàn)圖像大致通過(guò)原點(diǎn),可得E∝ΔΦ(如圖9)。

圖9

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)n不變時(shí),E∝ΔΦ、E∝1/Δt，最終得出E∝nΔΦ/Δt,即電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小,跟穿過(guò)這一電路的磁通量的變化率成正比。

本環(huán)節(jié)由老師和幾個(gè)同學(xué)共同配合完成實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)的采集，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生觀察和發(fā)現(xiàn)、提出問(wèn)題的能力。鼓勵(lì)學(xué)生從物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)中分析、處理數(shù)據(jù)，歸納出科學(xué)規(guī)律，樂(lè)于探索生活中的物理學(xué)原理。

成串的三個(gè)實(shí)驗(yàn)層層遞進(jìn)，通過(guò)“比一比”實(shí)驗(yàn)為探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小預(yù)熱；“定性”實(shí)驗(yàn)逐步提升學(xué)生科學(xué)探究能力,體會(huì)物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的曲折性,為獲得更高的成就感蓄力；“定量”實(shí)驗(yàn)以信息技術(shù)為輔助,以鍛煉學(xué)生思維為中心,學(xué)生在探究過(guò)程中思維升華。最后通過(guò)誤差分析、實(shí)驗(yàn)反思，在思索中增強(qiáng)思維批判性。

3　反思

3.1　實(shí)驗(yàn)裝置選擇

關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn),課標(biāo)中沒(méi)有提出要求,筆者參考了眾多資料，選擇了定量實(shí)驗(yàn)方法。原先筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案:(1) 讓磁鐵做自由落體運(yùn)動(dòng)通過(guò)線圈，進(jìn)行定量測(cè)量；(2) 基于Arduino和Flash的DisLab實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)的精確性,選擇了誤差較小、便于操作的第二種實(shí)驗(yàn)方案。用Arduino自制傳感器和Flash動(dòng)畫來(lái)開發(fā)DisLab,既擺脫了Flash課件只能模擬的缺點(diǎn),又使DisLab有了更友好的顯示界面。本裝置突破教材的現(xiàn)有局限,具有準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)從條件達(dá)成角度不復(fù)雜，具有較高的實(shí)用性、準(zhǔn)確性、可行性、定量性。

3.2　實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

為了實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性,獲得良好的效果，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需注意。

(1) 線圈的選擇要適當(dāng),盡量選取開口小的,以便獲得更明顯的磁通量變化量。

(2) 磁鐵選擇磁性強(qiáng)的。

(3) 光電門離線圈的距離選擇適當(dāng),以撞擊線圈防護(hù)海綿反彈后，不再進(jìn)入光電門范圍為佳。

(4) 關(guān)于硬件精度,Arduino端的主要代碼程序大約每100微秒運(yùn)行一遍,光電門由于每次擋光時(shí)間大概有幾十毫秒,所以擋光時(shí)間間隔的誤差大概有0.5%左右。

3.3　實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

(1) 從教師的角度出發(fā),開闊了視野,使教學(xué)的手段、方法更豐富。

(2) 從學(xué)生的角度出發(fā),從定性實(shí)驗(yàn)到定量實(shí)驗(yàn),對(duì)學(xué)生思維的培養(yǎng)具有較大的作用。

(3) 如果能改進(jìn)成為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)價(jià)值更高。

(4) Arduino是一款價(jià)格便宜、方便上手的開源硬件產(chǎn)品。與傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)相比,拓展性能非常高,能整合各種各樣的傳感器,減少了實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性,便于攜帶。并且它具有簡(jiǎn)便的編程環(huán)境,沒(méi)有復(fù)雜的單片機(jī)底層代碼,在中學(xué)階段開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的空間廣闊。