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

1　引言

筆者參加了2017年無錫市高中物理優(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,思維能力不強的學(xué)生難以接受,筆者通過層層推進的實驗設(shè)計來化解教學(xué)重難點,讓學(xué)生重演物理知識的發(fā)生過程,結(jié)合科學(xué)猜想和實驗探究，讓學(xué)生認知法拉第電磁感應(yīng)規(guī)律的建立過程,在教學(xué)過程中注重提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

2　問題與探究

2.1　體驗新知

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

為此筆者設(shè)計了“比一比”實驗，裝置如圖1所示,學(xué)生通過插拔磁鐵,比一比誰能讓電流計產(chǎn)生最大的指針偏轉(zhuǎn)。通過分組實驗討論,兩位同學(xué)代表參與對比演示。用兩條磁鐵快速插入匝數(shù)多的線圈時，明顯發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)較大。

圖1

本實驗通過比賽激發(fā)學(xué)生興趣和疑問,怎么樣才能使得自己的靈敏電流計指針偏轉(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?通過對比，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)電動勢與n、Δt、ΔΦ有關(guān)。本環(huán)節(jié)以師生互動的方式，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和語言表達能力,同時鑒于學(xué)生已有認知的不足,需要加強指導(dǎo),培養(yǎng)深入分析、歸納能力，為進一步探究感應(yīng)電動勢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”實驗得出了感應(yīng)電動勢與n、Δt、ΔΦ有關(guān)，那么感應(yīng)電動勢與n、Δt、ΔΦ有什么樣的定性關(guān)系?學(xué)生自己產(chǎn)生疑問，并且?guī)е鴨栴}進一步去思索。探究一個量與幾個量之間的關(guān)系,當(dāng)然采用控制變量法,仍然用“比一比”的實驗裝置,進行分組探究：(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。

通過分組探究,我們發(fā)現(xiàn)：(1) 保持磁鐵的個數(shù)不變,插入的初末位置固定,改變插入速度，可得時間越長,感應(yīng)電動勢越?。?2) 保持線圈匝數(shù)和插入速度不變,增加條形磁鐵的個數(shù),固定插入的初末位置，可得磁通量的變化越大,感應(yīng)電動勢越大；(3) 保持插入速度和條形磁鐵個數(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)電動勢越大。

本環(huán)節(jié)進一步讓學(xué)生定性探究感應(yīng)電動勢與n、Δt、ΔΦ的關(guān)系,滲透了控制變量的思想。至于感應(yīng)電動勢與匝數(shù)的關(guān)系,學(xué)生可以通過邏輯推理實現(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。對于感應(yīng)電動勢與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)生有問題時，通過實驗探究解決問題的意識,明確物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科的真實含義,使學(xué)生樂于探索,勇于探究,同時也讓學(xué)生在探究過程中體驗挫折。學(xué)生很難得到感應(yīng)電動勢和這些量的定量關(guān)系，只能定性猜測,為了探究過程的完整性和實驗的說服力,迫切需要新的實驗來驗證,探究感應(yīng)電動勢的定量實驗也就應(yīng)運而生了。

2.3　定量探究

為了減小實驗誤差、提高精度，筆者選擇了基于Arduino和Flash的DisLab實驗。強磁鐵插入線圈，從而磁通量改變，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢由數(shù)據(jù)采集設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由計算機顯示出來。該裝置可記錄通過光電門的時間Δt和記錄通過光電門過程中線圈兩個位置的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)電動勢與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,使通過光電門的時間不同,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對計算機所讀時間Δt進行倒數(shù)處理,作出E與1/Δt圖像,發(fā)現(xiàn)圖像大致通過原點,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)圖像大致通過原點,可得E∝ΔΦ(如圖9)。

圖9

實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)n不變時,E∝ΔΦ、E∝1/Δt，最終得出E∝nΔΦ/Δt,即電路中感應(yīng)電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。

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

成串的三個實驗層層遞進，通過“比一比”實驗為探究感應(yīng)電動勢大小預(yù)熱；“定性”實驗逐步提升學(xué)生科學(xué)探究能力,體會物理規(guī)律發(fā)現(xiàn)的曲折性,為獲得更高的成就感蓄力；“定量”實驗以信息技術(shù)為輔助,以鍛煉學(xué)生思維為中心,學(xué)生在探究過程中思維升華。最后通過誤差分析、實驗反思，在思索中增強思維批判性。

3　反思

3.1　實驗裝置選擇

關(guān)于法拉第電磁感應(yīng)定律實驗,課標(biāo)中沒有提出要求,筆者參考了眾多資料，選擇了定量實驗方法。原先筆者設(shè)計了兩個實驗方案:(1) 讓磁鐵做自由落體運動通過線圈，進行定量測量；(2) 基于Arduino和Flash的DisLab實驗?？紤]到實驗的精確性,選擇了誤差較小、便于操作的第二種實驗方案。用Arduino自制傳感器和Flash動畫來開發(fā)DisLab,既擺脫了Flash課件只能模擬的缺點,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)確的實驗結(jié)果,實驗從條件達成角度不復(fù)雜，具有較高的實用性、準(zhǔn)確性、可行性、定量性。

3.2　實驗注意事項

為了實驗具有可重復(fù)性,獲得良好的效果，在實驗過程中需注意。

(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) 磁鐵選擇磁性強的。

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

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

3.3　實驗評價

(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),從定性實驗到定量實驗,對學(xué)生思維的培養(yǎng)具有較大的作用。

(3) 如果能改進成為學(xué)生實驗，其實驗價值更高。

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