基于物理核心素養(yǎng)的探究實驗教學案例設計
——以交變電流為例

廖永容 楊曉梅 陳琪睿

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

2017版普通高中物理課程標準提出:“物理核心素養(yǎng)是學生在學習物理學科知識的過程中逐漸形成的正確價值觀、必備品格和關鍵能力,主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等4個要素構成.”[1]公民具有科學探究的能力是指他們能夠根據觀察到的現象提出科學問題、形成猜想和假設、設計解決方案、根據方案進行實驗并搜集證據、基于證據得出結論并做出解釋,科學探究是一種綜合能力,也是物理學習和的獲得科學知識的主要方法.而物理學是一門以實驗和觀察為基礎的學科,任何物理定律都是科學家們經無數次實驗總結出來的,物理知識的學習離不開實驗.本文以交變電流的實驗教學設計為案例,將科學探究的思想融入到探究交變電流的變化規(guī)律實驗之中,充分考慮學生的知識水平,層層遞進地設計實驗環(huán)節(jié),創(chuàng)設真實的情境形成物理觀念,在實驗探究過程中凸顯科學思維,融入科學態(tài)度與責任,展現了在物理教學中展開探究實驗對于培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)所起到的關鍵作用.

1 探究流程

探究實驗強調問題在探究活動中的重要性,教師根據探究目標,圍繞中心主題合理地設置問題,引領學生由淺入深的進行探究.為高效完成探究目標,本文針對各探究目標巧妙地設置了相應問題,讓學生在探究過程中逐步獲取知識、學會運用物理觀念解決實際問題,以期提升學生的綜合能力.探究流程圖如下.

圖1 探究流程圖

2 探究目標

(1) 認識交變電流,能說出交變電流的概念.

(2) 觀察實驗儀器,結合實驗找出發(fā)電機的工作原理.

(3) 根據實驗結論總結推理出交變電流的變化規(guī)律.

(4) 能結合發(fā)電機實驗，運用電磁感應的知識動手制作發(fā)電機,逐漸認識科學知識的本質.

3 實驗器材

實驗器材： 手搖發(fā)電機、檢流計、導線、微電流傳感器、數據采集卡、電腦.

(注意事項:在使用實驗儀器前,詳細閱讀說明書了解儀器的構造特征和使用方法,檢查儀器是否能正常工作,檢流計是否調零.)

圖2 手搖發(fā)電機結構圖

4 探究過程

4.1 儲備知識

實驗前學生已具備電磁感應、感應電動勢、感應電流、右手定則、導體做切割磁感線運動、閉合電路歐姆定律等相關知識.實驗儀器方面,學生已非常熟悉檢流計，變阻箱的使用方法.

4.2 探究感應電動勢的產生

現象觀察.首先請學生重溫導體棒做切割磁感線運動發(fā)電實驗.交變電流是電磁感應的具體應用,用電磁感應的實驗作引入幫助學生建立新舊知識的聯系,為學生接下來的實驗探究、科學推理奠定理論基礎.

其次讓學生觀察手搖發(fā)電機線圈和磁極的結構、搖動發(fā)電機時線圈的運動情況和燈泡的發(fā)光情況.然后讓學生對比導體棒實驗和發(fā)電機實驗,并根據對比提出問題.

提出問題.學生發(fā)現:手搖發(fā)電機發(fā)電時不是單根導體的運動,而是N匝線圈的轉動,小燈泡閃閃發(fā)光.由此提出問題:發(fā)電機的發(fā)電原理如何?與導體棒做切割磁感線運動發(fā)電有何聯系?閉合回路中電流遵循什么規(guī)律?

(a) 線圈和磁極結構圖

圖3

問題1.請學生小組討論猜想,寫出依據.假設線圈共N匝,分析問題時請用等效法將線圈的結構簡化為便于處理的模型.

模型建構.等效法是一種常用的科學思維方法,即保證效果相同,將復雜問題簡單化,從而抓住事物本質,找出規(guī)律的方法.問題1引導學生發(fā)現每匝線圈都是一個矩形,分析時可將N匝矩形線圈的形狀近似看作完全相同,任意一匝線圈又可看作由4根銅導線連接而成,所以單匝線圈轉動時可等效為4根銅導線[如圖3(b)中ab、bc、cd、da等邊]在轉動.學生經歷N匝線圈的理想化過程,結合導體棒切割磁感線發(fā)電實驗,理清了線圈在磁場中轉動相當于多根導體棒做切割磁感線運動的思路,提高了學生主動建構理想模型的科學思維能力,有助于幫助學生抓住線圈轉動切割磁感線的關鍵要素,加深對發(fā)電機發(fā)電過程的理解,形成科學思維.

學生猜想.線圈在磁場中轉動切割磁感線,所以手搖發(fā)電機發(fā)電與導體棒切割磁感線發(fā)電原理相同.電流的變化規(guī)律包括大小和方向的變化規(guī)律,根據閉合電路歐姆定律,電流大小的變化與電動勢大小的變化同步,電流方向可能變化也可能不變.學生經歷討論交流互換意見的過程,培養(yǎng)主動與他人合作,尊重他人情感的科學態(tài)度.

材料:一般我們將N、S兩極間磁場近似看作勻強磁場,矩形線圈ad、ab邊長度分別為L、l．線圈逆時針旋轉過程中4條邊與磁感線間存在一定的夾角,線圈經過了幾個特殊的位置,分別是圖4中的a、b、c、d、e等位置.在a、c、e等位置時線圈平面與磁感線垂直(該平面又叫中性面);在b、d位置時線圈平面與磁感線平行.線圈轉動到各個位置時感應電動勢是最大還是最小?線圈經過a、b、c、d、e等位置瞬間電動勢的方向如何?矩形線圈4條邊都在磁場中,是否所有邊都切割磁感線?是否會出現抵消現象?

圖4 線圈逆時針旋轉過程立體示意圖

問題2.請觀察線圈轉動過程,基于你們的猜想推導出線圈中感應電動勢的變化規(guī)律.畫出平面圖.

科學推理.科學思維能力也包括科學推理的能力,要求高中學生能夠正確理解和應用歸納推理、類比推理、組合推理、相關推理、因果推理等推理形式,以及分析與綜合、抽象與概括、比較與分類的思維方式等科學思維方法,從定性和定量兩個方面進行科學推理、找出規(guī)律、形成結論,并能解決實際問題.[3]學生觀察發(fā)現線圈轉動時只有ab、cd兩條邊做切割磁感線運動,由此推理出線圈在磁場中轉動所產生的感應電動勢由ab、cd兩條邊做切割磁感線運動決定.學生使用右手定則判斷出線圈轉動到各個位置時感應電動勢的方向,得出線圈上的感應電動勢是ab、cd邊上感應電動勢的代數和.線圈轉動到各個位置時感應電動勢的方向分別為:b位置a→b、c→d,a位置b→a、d→c,線圈經過中性面瞬間無切割運動發(fā)生,感應電動勢將改變方向,線圈轉動一周,兩次經過中性面,感應電動勢方向改變兩次.導體棒垂直切割磁感線時值最大,所以線圈轉動到a位置瞬間感應電動勢為零,轉動到b位置瞬間最大.學生經歷相關推理、因果推理,應用分析、綜合、概括、比較的思維方式對發(fā)電機的發(fā)電過程進行定性分析得出手搖發(fā)電機的原理是轉子線圈在磁場中做切割磁感線運動,對于發(fā)電機的原理有了正確的認識.

圖5 線圈逆時針旋轉平面圖

學生運用立體幾何知識將線圈轉動的立體圖轉化為平面圖,圖5是線圈轉動時間為t時的平面圖.

4.3 探究交變電流的變化規(guī)律

材料:閉合回路中電流的變化規(guī)律是否與感應電動勢的變化規(guī)律同步?同學們細心觀察會發(fā)現發(fā)電機集流環(huán)上有條凹槽,它把集流環(huán)分成了兩部分,左半部分與藍導線相連,右半部分與紅導線相連如圖6所示.電刷夾在集流環(huán)兩端時如圖7(a)所示,線圈轉動過程中電刷與集流環(huán)相互接觸的部位始終沒有變;而電刷夾在集流環(huán)中央時如圖7(b)所示,線圈轉動過程中原本與集流環(huán)左半部分接觸的上夾片,遇凹槽后卻與右半部分接觸,下夾片遇凹槽后也發(fā)生類似的轉換,說明電刷遇到凹槽前后外電路中電流的方向不一致.

圖6 集流環(huán)結構圖

(a) 電刷夾于集流環(huán)兩端

問題3.電刷夾在不同位置時流經燈泡的電流相同嗎?如何表示電流的變化規(guī)律?若閉合回路中總電阻為R,請小組討論猜想,并根據現有器材合理設計實驗方案展開實驗.

學生實驗.學生經討論選擇檢流計檢測電流的方向,接入電阻以保護檢流計.學生分工合作連接實物圖、畫出原理圖[如圖8(a)(b)]并進行實驗.

(a) 實物圖

結論:當電刷夾于集流環(huán)兩端時,檢流計指針在零刻線處擺動,說明電流方向一直在變化;當夾于中間時,檢流計指針在零刻線的某一邊擺動,說明電流方向沒有變化.由此可知閉合回路中產生了兩種電流,即方向不隨時間變化的電流和方向隨時間變化的電流.

問題4.事實上你使用的發(fā)電機具有產生兩種電流的功能,而這兩種電流就是直流和交變電流.在學習電路時我們已經接觸過直流,如連接電池的回路中,電流方向不隨時間而變,這種電流就是直流.請你寫出交變電流的概念和變化規(guī)律,對比交變電流與直流并描述他們的異同.

4.4 交變電流的圖像

探究到此學生對交變電流有了理性認識,思考如果給你如圖9所示電流隨時間變化的圖像(即波形圖),你能識別交變電流的波形圖嗎?

問題5.為了測試結論的準確性,請利用DIS數字化信息系統(tǒng)觀察電流波形圖．

實驗設備:手搖發(fā)電機,DIS數字化信息系統(tǒng)(微電流傳感器、數據采集卡和電腦)．

學生實驗.按照圖10的方式連接實物圖展開實驗．

圖10 實物圖

實驗結論:圖11(a)、(b)、(c)是電流的波形圖,其中(a)、(b)是電刷夾在集流環(huán)中央時電流波的形圖,回路中的電流是直流,(a)是線圈順時針轉動時的圖像,(b)線圈是逆時針轉動時的圖像.(c)是電刷夾在集流環(huán)兩端時的電流波形圖,回路中的電流是交變電流.考慮實驗誤差的影響,交變電流波形的特點與理論推導的周期性變化特點相符.學生借助傳感器實驗提升了對交變電流的感性認識,從視覺的角度再一次證實了經科學推理得出的結論的正確性,培養(yǎng)了學生學習和研究物理的好奇心與求知欲,提升了學生實事求是的科學態(tài)度.

(a) 直流的波形圖(順時針)

(b) 直流的波形圖(逆時針)

(c) 交變電流的波形圖

5 實踐創(chuàng)新

本實驗使用的主要儀器是手搖發(fā)電機,發(fā)電時磁極不動而線圈轉動,被稱為旋轉電樞式發(fā)電機.實驗室還有另一種發(fā)電機,發(fā)電時線圈不動而磁極轉動,叫做旋轉磁極式發(fā)電機.經過本次實驗相信同學們對電磁感應有了更深刻的認識,如果讓你動手制作發(fā)電機,你會怎么做?

問題6.利用以下器材,你們小組能做出幾款發(fā)電機?試著解釋原理.

材料:風扇、強磁體、導線、螺旋槳、發(fā)電機、LED燈、線圈盒、檢流計、螺絲刀．

學生經歷發(fā)電機實驗獲得新知識后,能運用所學知識進行創(chuàng)造活動,能按自己的想法獨創(chuàng)一款發(fā)電機.這不僅有利于提高學生的創(chuàng)造力,而且學生在創(chuàng)造過程中會深思發(fā)電機的工作原理和電磁感應知識之間的聯系,逐步理解科學知識的本質.

圖12 器材匯總圖

6 結語

探究交變電流的變化規(guī)律實驗以學生為主展開,過程中包含了問題、證據、 解釋、交流等4大要素.實驗過程環(huán)環(huán)相扣,引導學生運用已有的知識、概念和模型,建構交變電流的概念、理想線圈的模型,科學地推理得出交變電流的變化規(guī)律.學生帶著疑問親自動手實驗,在實驗中深入探究發(fā)電機發(fā)電的本質,最終準確得出發(fā)電機的發(fā)電原理.探究過程充分考慮了學生的學習規(guī)律和實際情況,讓學生經歷了科學知識形成的全過程,領悟了科學研究交變電流的方法,從而養(yǎng)成科學思維的習慣,提高了學生主動學習的能力,促進了學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.