倪志強(qiáng)

(浙江省杭州市臨平職業(yè)高級(jí)中學(xué)，浙江 杭州 311100)

“魅力物理，魔幻實(shí)驗(yàn)”是杭州市精品知識(shí)拓展類選修課程，由一系列物理實(shí)驗(yàn)組成，在我?！爸斜疽惑w”班實(shí)施。自2018年來(lái)，我校數(shù)控專業(yè)創(chuàng)辦直升本科的“中本一體”班，學(xué)生素質(zhì)較好，由于升學(xué)應(yīng)試的壓力小，學(xué)生動(dòng)手能力逐漸增強(qiáng)。為更好地提升學(xué)生核心素養(yǎng)，高校要求開設(shè)普高物理必修課程，我校對(duì)該班教學(xué)進(jìn)行了改革探索，開設(shè)“探秘新能源”選修課，通過(guò)一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，促使其主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，深度理解概念、掌握規(guī)律，完善學(xué)科結(jié)構(gòu)，領(lǐng)悟科學(xué)方法，了解學(xué)科前沿，提升核心素養(yǎng)，為進(jìn)入本科院校后的數(shù)控專業(yè)學(xué)習(xí)打好扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 發(fā)電的奧秘

“探秘新能源”選自物理課程的“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，是中學(xué)物理的主干內(nèi)容。發(fā)電的奧秘立足主題拓展，補(bǔ)充知識(shí)應(yīng)用。通過(guò)該課題的學(xué)習(xí)，學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的過(guò)程，尋得產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，拓展對(duì)自感和互感、渦流和反電動(dòng)勢(shì)的理解，為大學(xué)物理學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)。

1.1 神奇的發(fā)光

(1)在講臺(tái)上放一臺(tái)用布遮掩著的電磁爐。

(2)讓學(xué)生將帶有發(fā)光二極管的線圈靠近電磁爐臺(tái)面。當(dāng)線圈靠近時(shí)，教師給電磁爐通電，時(shí)間不能太早，以防電磁爐空載保護(hù)。

現(xiàn)象：發(fā)光二極管發(fā)光。

說(shuō)明：學(xué)生沒(méi)有注意到電磁爐通電，也不清楚“感應(yīng)”，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象深感意外。

(3)逐漸增大線圈與電磁爐之間的距離。

現(xiàn)象：發(fā)光二極管逐漸變暗。

問(wèn)題：產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是什么？

猜測(cè)：發(fā)光二極管的亮度受穿過(guò)線圈磁通量變化率的影響。

1.2 發(fā)電的奧秘

(1)搖動(dòng)用布包著的手搖電筒(圖1)。

圖1

現(xiàn)象：燈不斷閃爍。

(2)展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出問(wèn)題。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：線圈和磁鐵。

電能來(lái)源：磁鐵的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

發(fā)電原理：電磁感應(yīng)。

怎樣使發(fā)光二極管更亮？

學(xué)生回答：使磁鐵運(yùn)動(dòng)更快、磁鐵磁性更強(qiáng)、線圈匝數(shù)更多。

1.3 探究發(fā)電原理

挑戰(zhàn)：讓連接線圈的燈泡發(fā)光。

器材：學(xué)生電源、可拆變壓器等。

要求：不能直接把燈泡接到學(xué)生電源上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題。

(1)將與燈泡連接的線圈套在如圖2所示的鐵芯上。

圖2

(2)給可拆變壓器線圈通以直流電。

現(xiàn)象：小燈泡不發(fā)光。

(3)給可拆變壓器線圈通以交流電。

現(xiàn)象：小燈泡發(fā)光。

原因：當(dāng)線圈中磁通量發(fā)生變化時(shí)小燈泡發(fā)光。

(4)逐漸調(diào)高交流電的電壓。

現(xiàn)象：調(diào)高電壓時(shí)小燈泡變亮，調(diào)低電壓時(shí)小燈泡變暗。

原因：交流電電壓越高，流過(guò)可拆變壓器線圈的電流越大，通過(guò)與小燈泡相連線圈的磁通量變化率越大，小燈泡就越亮。

(5)接上可拆變壓器上匝數(shù)較多的線圈。

現(xiàn)象：小燈泡變暗了。

學(xué)生對(duì)此很疑惑，討論后找到了原因。

造成學(xué)生產(chǎn)生疑惑的原因是：不能明確研究對(duì)象，因果關(guān)系模糊。在變壓器原、副線圈中，原線圈電壓由輸入電源決定，電源和原線圈匝數(shù)等影響著磁通量變化率，它與副線圈的匝數(shù)共同決定了副線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

1.4 設(shè)計(jì)意圖

神奇的發(fā)光：實(shí)驗(yàn)器材選用生活中熟悉的電磁爐，使學(xué)生感覺(jué)物理就在身邊，出乎意料的現(xiàn)象激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和自主探索的興趣。

發(fā)電的奧秘：(1)用手電筒回顧電磁感應(yīng)現(xiàn)象的主干內(nèi)容，加深對(duì)電源的理解；(2)用可拆變壓器深入探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但因?qū)W生能力不足，會(huì)產(chǎn)生許多疑惑，從而培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提升他們的核心素養(yǎng)。

2 探秘新能源

新材料、新能源技術(shù)推動(dòng)了人類社會(huì)的發(fā)展變化，學(xué)生應(yīng)了解科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，具備可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)服務(wù)于人類的社會(huì)責(zé)任感。

碳中和是全球努力的目標(biāo)，我國(guó)政府對(duì)此十分重視。開發(fā)新能源與技術(shù)創(chuàng)新能有效緩解能源危機(jī)，努力探索綠色環(huán)保的發(fā)電方式，提高能源利用效率。

2.1 風(fēng)力發(fā)電

教師利用電動(dòng)機(jī)和風(fēng)扇使發(fā)光二極管發(fā)光(圖3)，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、分析原因。

圖3

知識(shí)鏈接：風(fēng)力發(fā)電就是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成風(fēng)輪的動(dòng)能，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。裝置由風(fēng)輪(含尾舵)、鐵塔和發(fā)電機(jī)三部分組成。風(fēng)力發(fā)電是一種可再生、永不枯竭、潛力很大的新能源。我國(guó)有極為豐富的風(fēng)力資源，甘肅酒泉被稱為“風(fēng)電三峽”，江蘇的黃海被稱為“海上風(fēng)電三峽”。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成熟，在可再生能源中成本相對(duì)較低，邊遠(yuǎn)地區(qū)生產(chǎn)、生活用電廣泛選用了小型風(fēng)電機(jī)組。

2.2 光伏發(fā)電

(1)按圖4連接實(shí)驗(yàn)電路，將太陽(yáng)光照射太陽(yáng)能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

圖4

(2)讓太陽(yáng)光隔著窗戶和車窗玻璃等照射太陽(yáng)能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風(fēng)扇仍然轉(zhuǎn)動(dòng)。

(3)用白熾燈、節(jié)能燈和日光燈管的光分別照射太陽(yáng)能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動(dòng)。

知識(shí)鏈接：光伏發(fā)電裝置主要由太陽(yáng)電池板、控制器和逆變器三大部分組成。太陽(yáng)電池板是利用半導(dǎo)體(主要有硅、硫化鎘、砷化鎵)界面的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的電池。太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有清潔、安全、廣泛、經(jīng)濟(jì)、資源充足等優(yōu)點(diǎn)。但太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)卻存在高污染、高能耗等問(wèn)題。

2.3 溫差發(fā)電

如圖5所示，取兩段相同的銅絲和一段鐵絲，將兩根銅絲的一端分別接在靈敏電流計(jì)正負(fù)接線柱上，另一端分別與鐵絲的一端絞結(jié)在一起。用燭焰加熱銅絲與鐵絲的絞結(jié)端M，發(fā)現(xiàn)電流計(jì)的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖5

學(xué)生通過(guò)討論，指出其原因是：高溫絞結(jié)處的自由電子向低溫絞結(jié)處做定向移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。教師再提出問(wèn)題：增大回路中電流的措施有哪些？

知識(shí)鏈接：塞貝克效應(yīng)是在兩種不同導(dǎo)電材料組成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生的電勢(shì)差使內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。1821年，德國(guó)科學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)：對(duì)由兩種不同金屬構(gòu)成的閉合回路某接點(diǎn)加熱時(shí)，在回路附近的指南針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，他認(rèn)為使指南針偏轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)是溫度梯度磁化了金屬導(dǎo)線而產(chǎn)生。但電路切斷后溫度梯度依然存在，而指南針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象卻消失，可見(jiàn)導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)隨著消失，說(shuō)明不是熱磁效應(yīng)。后人研究發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)是熱電效應(yīng)造成的。

2.4 記憶合金

(1)將拉伸變形的記憶金屬?gòu)椈煞湃霟崴泻缶突謴?fù)原狀。

(2)記憶合金發(fā)動(dòng)機(jī)采用記憶合金金屬絲鏈接兩個(gè)輪子(圖6)，取一杯溫度為60 ℃的熱水，將小輪的三分之一放入熱水中，發(fā)現(xiàn)它開始運(yùn)轉(zhuǎn)，從水中取出，依然可以運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。

圖6

學(xué)生通過(guò)討論，指出其原理是：① 魔力發(fā)動(dòng)機(jī)是利用溫差驅(qū)動(dòng)記憶合金絲產(chǎn)生動(dòng)能。② 形狀記憶合金是由兩種以上金屬材料所構(gòu)成，通過(guò)熱彈性馬氏體相變及其逆變，具有形狀記憶功能。③ 在外力作用下變形了的記憶合金會(huì)在一定的溫度條件下恢復(fù)原狀。

(3)引導(dǎo)學(xué)生嘗試用記憶金屬?gòu)椈稍O(shè)計(jì)一個(gè)電機(jī)。

2.5 設(shè)計(jì)意圖

(1)利用實(shí)驗(yàn)室器材，了解風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、溫差發(fā)電、記憶合金發(fā)電等，體會(huì)科學(xué)的神奇?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)并不會(huì)一帆風(fēng)順，如會(huì)出現(xiàn)銅與鐵接觸不良、鐵絲燃燒氧化或斷裂等，讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)探索的艱辛，培養(yǎng)學(xué)生勇于克服困難的精神。

(2)利用網(wǎng)購(gòu)器材，了解溫差發(fā)電的基本原理。

(3)利用記憶合金，增加實(shí)驗(yàn)的趣味性，了解新材料、新技術(shù)的發(fā)展。

3 實(shí)驗(yàn)探究

教師布置挑戰(zhàn)任務(wù)，學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)器材，小組討論實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，學(xué)生親歷合作探究過(guò)程，觀察物理現(xiàn)象，探求其本質(zhì)特征。

實(shí)驗(yàn)器材為：水果(橙子、蘋果)、鋅片、銅片、發(fā)光二極管、開關(guān)、靈敏電流計(jì)、滑動(dòng)變阻器、電流傳感器、電壓傳感器等。

3.1 挑戰(zhàn)任務(wù)

(1)合理選擇器材，制作一個(gè)水果電池；

(2)用多種方法判斷出電源的正負(fù)極；

(3)猜測(cè)影響水果電池的電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻大小的因素；

(4)利用DIS設(shè)計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)；

(5)探究影響電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻大小的因素。

3.2 自主實(shí)驗(yàn)

(1)將銅片與鋅片插入水果中，該裝置就是水果電池，將靈敏電流計(jì)接入水果電池電路中(圖7)。發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，銅片為電源正極，鋅片為電源負(fù)極。

圖7

(2)將發(fā)光二極管接入水果電池電路中，其正極與銅片相連。發(fā)光二極管不能發(fā)光，其原因是水果電池的電動(dòng)勢(shì)太小，學(xué)生提出解決方案：串聯(lián)幾個(gè)蘋果(或橙子)電池。

(3)學(xué)生提出猜想：影響水果電池的電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻大小的因素為水果種類和酸甜度、電極的材料、插入深度、兩極間距離等。

(4)實(shí)驗(yàn)原理為：E=U+Ir，學(xué)生選用電壓傳感器、電流傳感器，采用伏安法設(shè)計(jì)電路，填寫數(shù)據(jù)記錄表，利用Excel繪圖、擬合，得到電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻的數(shù)值。

表1

3.3 設(shè)計(jì)意圖

基于學(xué)生所學(xué)物理知識(shí)和初步掌握的科學(xué)探究方法，在探究中學(xué)會(huì)用已有的知識(shí)分析與解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)習(xí)使用傳感器、Excel擬合等信息技術(shù)手段，掌握實(shí)驗(yàn)探究的方法，形成物理觀念，以發(fā)散性的思維去解決實(shí)際問(wèn)題。

4 教學(xué)建議

(1)合理選題：基于學(xué)生的物理基礎(chǔ)與能力，精選與課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，選擇器材，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)恼n題。

(2)基于實(shí)驗(yàn)：物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)可激發(fā)學(xué)生探索興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)協(xié)作能力，提高核心素養(yǎng)。

(3)個(gè)性拓展：拓展學(xué)生視野，引入新科技，開展科技實(shí)踐，開拓學(xué)生眼界，滿足學(xué)生個(gè)性需求，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展。

(4)學(xué)生探究：學(xué)生容易被陌生、新奇的器材吸引而產(chǎn)生興趣，這為自主探究、積極嘗試、努力解決問(wèn)題創(chuàng)設(shè)了條件，可以根據(jù)自身需求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、探索自己感興趣的問(wèn)題。

“探秘新能源”選修課程的開設(shè)，以學(xué)生形成“物理觀念”、發(fā)展“科學(xué)思維”、經(jīng)歷“實(shí)驗(yàn)探究”、養(yǎng)成“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”為課程目標(biāo)，力求通過(guò)課外學(xué)習(xí)實(shí)踐，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。一年來(lái)，由學(xué)生從盲目服從、被動(dòng)接受，變?yōu)樾老矏偧{、主動(dòng)參與，取得可喜成果。