關于“電磁阻尼“教學的一點思考與探索

張紅明

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

人教社2020版高中物理選擇性必修二第二章第四節(jié)內(nèi)容是“渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動”，其中在“電磁阻尼“部分，教材中安排了做一做欄目．具體如下：

取一只微安表，用手晃動表殼，觀察表針相對表盤擺動的情況．用導線把微安表的兩個接線柱連在一起 (圖1)，再次晃動表殼，表針相對表盤的擺動情況與剛才有什么不同？怎樣解釋這種差別？為什么靈敏電流表在運輸時總要用導體把兩個接線柱連在一起？

圖1 教材“做一做”欄目題圖

1 發(fā)現(xiàn)問題

圖片中給出的靈敏電流計一共有3個接線柱，一個黑色的和兩個紅色的，圖中標注的連接兩個接線柱的導線在圖中基本上看不清楚，仔細看應該是連接黑色接線柱和中間的紅色接線柱．筆者在準備實驗時，實驗室用到的靈敏電流計是杭州電表廠制造的“J0409”型號，如圖2所示．首先按照教材中的做法，用一根導線將黑色接線柱和中間的紅色接線柱連接，用手晃動表針，發(fā)現(xiàn)跟不接導線相比，指針晃動的幅度和停下的時間都明顯減小，觀察到了很好的電磁阻尼效果．同時自然地還做了另外兩個實驗，把兩個紅接線柱用導線連接、把黑色接線柱和遠端的紅色接線柱用導線連接，晃動表針，發(fā)現(xiàn)跟沒有連接導線的情況差不多，完全觀察不到電磁阻尼現(xiàn)象．

圖2 J0409型靈敏電流計

嘗試解釋以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．筆者腦子里自然地將雙量程電流表的電路結(jié)構聯(lián)系起來，雙量程電流表的電路結(jié)構如圖3所示．按照這個電路，在連接導線之前，表頭和兩個電阻已經(jīng)構成通路，可以形成感應電流，但考慮到回路的總電阻是表頭內(nèi)阻和R1與R2電阻之和，因此表頭線圈中的電流會非常小，因此電磁阻尼效果會非常弱．如果在a與b間連接導線，短路的是R1；如果在a與c間連接導線，短路的是R1和R2，如果在b與c間連接導線，短路的是R2．根據(jù)電路中電流的計算，應該是連接a與c間的導線，也就是教材中連接黑色接線柱和遠端紅色接線柱時，晃動電表時通過表頭的感應電流最大，觀察到的電磁阻尼現(xiàn)象應該最好．理論分析和上述實驗現(xiàn)象是矛盾的，這就是筆者在備課中遇到的問題，也是決定要去解決清楚的問題．

圖3 雙量程電流表的電路結(jié)構圖

2 問題的解決

直覺上，把靈敏電流計看成是雙量程電流表的結(jié)構是不正確的．表盤上接線柱間的電阻連接符號也很好地給出了提示，如圖4所示，兩個紅色接線柱之間正常地標定為2.4 kΩ的電阻，黑色接線柱和中間紅色接線柱之間是一個不常見折線加箭頭的連接符號，標注電阻為100 Ω．筆者猜測黑色接線柱和中間紅色接線柱之間實際上可能沒有電阻，是一個待接100 Ω的電阻，或者可以從外部接入一個100 Ω的電阻，兩個紅色接線柱之間是實實在在地接入了一個2.4 kΩ的電阻．于是雙量程電流表的結(jié)構就變成下面的樣子，如圖5所示．這個可以比較好地解釋，不連接導線時，電路是斷開的，晃動表頭不能形成感應電流產(chǎn)生電磁阻尼效果．同時可以解釋連接a與b(也就是教材中的黑色接線柱和中間紅色接線柱)，就能形成感應電流產(chǎn)生電磁阻尼效果．也可以解釋連接b與c(也就是教材中的兩個紅色接線柱)，不能形成電流產(chǎn)生電磁阻尼效果．但是解釋不了，連接a與c(也就是教材中的黑色接線柱和遠端紅色接線柱)，不能形成感應電流產(chǎn)生電磁阻尼效果．按照這個電路圖，應該是連接黑色接線柱和遠端紅色接線柱有最大的感應電流，會產(chǎn)生最好的電磁阻尼效果．于是再一次陷于困境．

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圖4 雙量程電流表表盤

圖5 電表結(jié)構圖1

以上問題的解決過程，是發(fā)生在筆者備課時真實經(jīng)歷的過程．這個問題的解決，讓筆者收獲了一種成功的體驗．現(xiàn)在思考，筆者之所以能夠比較順利地解決這個問題，就是很好地運用了科學探究：從實驗中發(fā)現(xiàn)問題，提出猜想，構建模型，理論分析再到實驗驗證．科學探究是物理學科核心素養(yǎng)之一，正是我們在開展物理課堂教學要著力落實的．于是筆者決定把教材中“做一做“的這個欄目設計成一節(jié)基于實際問題解決的科學探究課．教學實踐的結(jié)果表明，整個教學過程非常的自然，沒有為了探究而探究，而是基于實際問題解決的有效學習．有幾個關鍵環(huán)節(jié)和預期的效果完全一致，分享如下：

圖6 電表結(jié)構圖2

檢驗模型優(yōu)劣的標準主要有擬合優(yōu)度R-sq、AIC赤池準則、SC施瓦茨準則。擬合優(yōu)度R-sq越大表示回歸模型對觀測值的擬合程度越好，AIC準則和SC準則參數(shù)值越小，代表模型設定效果越好。由表6可知，模型6的擬合優(yōu)度最高，AIC準則的數(shù)值最小，說明模型6的回歸結(jié)果較好；模型3的擬合優(yōu)度和AIC值不是最優(yōu)的，但是SC值最小，所有變量在5%的顯著性水平下，回歸系數(shù)都比較顯著，說明模型3的回歸也較理想。

(1)不連接導線時，表頭是斷開的，晃動表頭，表頭線圈中不能形成感應電流而產(chǎn)生電磁阻尼現(xiàn)象.

(4)連接a與c時，也就是教材中的黑色接線柱和遠端紅色接線柱，由于通路中的電阻最大，表頭線圈中會形成比較小的感應電流而無法產(chǎn)生較明顯的電磁阻尼效果．

(3)學生能夠否定靈敏電流計的雙量程電流表連接結(jié)構，并猜想構建可能的連接方式．

(2)連接a與b時，也就是教材中的黑色接線柱和中間紅色接線柱，由于通路中的總電阻最小，表頭線圈中會形成最大的感應電流而產(chǎn)生最佳的電磁阻尼效果.

(2)學生在分析時，會把靈敏電流計看成是雙量程電流表，發(fā)現(xiàn)用雙量程電流表的電路來分析時，與實驗現(xiàn)象沖突．

圖7 拆掉電流表底面

圖8 接線柱背面放大

3 教學上的思考與實踐

在肯定a與b間沒有實際接入電阻，b與c之間連入一個2.4 kΩ的電阻的基礎上，作出進一步猜想，電路連接結(jié)構如圖6所示．這個連接的最大特點是，a與b兩點直接和表頭連通．按照這個結(jié)構可以很好地解釋上述實驗現(xiàn)象.

(1)學生在做實驗時，除了按教材上的連接黑色接線柱和中間紅色接線柱之外，很自然地連接了另外兩種方式，也發(fā)現(xiàn)了電磁阻尼效果的不同．

以上還只是停留在猜想階段，猜想是否正確還需作進一步的論證．接下來，筆者要做的工作就是打開靈敏電流計的表殼，探個究竟．打開表殼是個簡單的過程，比想象的要簡單得多．因為并不需要把整個表拆解了，只需要把接線柱部位對應的底面的兩個螺絲擰開．打開后的連接圖如圖7和圖8所示，于是真相大白，與筆者以上的猜想完全吻合，于是問題就算徹底解決了．

(3)連接b與c時，也就是教材中的兩個紅色接線柱，由于表頭沒有形成通路不能形成感應電流而產(chǎn)生電磁阻尼效果.

缺鉀癥是大豆上普遍發(fā)生的生理性病害，造成子粒品質(zhì)降低。首先在新葉尖端或邊緣呈現(xiàn)黃色斑，逐漸擴大到葉片中部，以后除主脈及支脈附近保持綠色外，都呈黃色。后期黃葉邊緣枯焦，向下卷曲。子粒皺縮，呈畸形。防治方法：精耕細作，避免連茬，減少鉀肥耗竭；發(fā)病初期，及時追施草木灰或硫酸鉀肥，有一定防治效果。

(4)學生能夠想到問題的最終解決得把電流表拆開看一看連接方式．

同時，2015年7月起，專責小組開始派遣一部分人員進入門診一線，一對一駐點觀察記錄門診醫(yī)師的診療習慣、叫號規(guī)律、勞動紀律行為、患者就診分布規(guī)律、患者看診需時等內(nèi)容。他們另外從醫(yī)院信息系統(tǒng)提取所有門診醫(yī)生接診患者的時間點數(shù)據(jù)，個性化分析每位醫(yī)生的看診行為。

項目決策環(huán)節(jié)也會影響項目成本，主要表現(xiàn)在確定項目規(guī)模，建設標準，合理選擇建設地點和確定工程技術方案。以上內(nèi)容都屬于項目決策環(huán)節(jié)需要關注的問題，還會在較大程度上決定工程項目的整體管理效益。

(5)學生在猜想得到驗證，問題得到解決時收獲了成功的學習體驗．