王從戎，梁永藝

(合肥師范學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

數(shù)字化技術(shù)是指由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、實驗操作軟件、計算機組成的數(shù)字化信息系統(tǒng)，它利用傳感器可將非電學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集與傳輸。在傳統(tǒng)實驗中，由于實驗器材的限制，很多實驗不易定量研究，只能進行定性的觀察與分析，這直接影響實驗結(jié)論的科學(xué)性，也影響了課堂教學(xué)的質(zhì)量。同時，研究發(fā)現(xiàn)已有的教材或教師教學(xué)中采用的數(shù)字化實驗，有些也并不符合學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律，仍然存在諸如探究意識不強、實驗操作不穩(wěn)定等問題。因此，應(yīng)對這些實驗進行改進與創(chuàng)新，使數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，探索基于數(shù)字化技術(shù)的實驗，創(chuàng)新實驗設(shè)計，優(yōu)化實驗教學(xué)，進而提高實驗結(jié)論的科學(xué)性，進一步培養(yǎng)學(xué)生的探究意識。研究通過“法拉第電磁感應(yīng)”“探究安培力大小”兩個案例，系統(tǒng)地闡述實驗發(fā)展的背景、創(chuàng)新設(shè)計的思路與方案、實驗數(shù)據(jù)的處理與結(jié)論，以此說明基于數(shù)字化技術(shù)在創(chuàng)新物理實驗方面的可行性、實效性，強化新課標(biāo)下數(shù)字化實驗在中學(xué)物理實驗教學(xué)的應(yīng)用價值。

1 “法拉第電磁感應(yīng)”實驗

1.1 實驗發(fā)展背景

舊版(2006版)高中物理教科書并沒有“法拉第電磁感應(yīng)”相關(guān)的實驗。根據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(下稱《課標(biāo)》)的要求：“通過實驗，理解法拉第電磁感應(yīng)定律[1]28”，2019年版人教版高中物理教科書增加了相關(guān)實驗[2]29-32，這個實驗可以幫助學(xué)生從理論上探討感生電動勢和線圈匝數(shù)、磁通量變化率之間的關(guān)系，但是這個實驗仍然有一些不足之處：(1)實驗是定性觀察，不是定量研究；(2)電壓值變化過快，難以對數(shù)據(jù)進行記錄與存儲；(3)當(dāng)強磁鐵通過線圈時，會產(chǎn)生逆向的電壓，從而導(dǎo)致電壓表的損壞[3]。

為了保證學(xué)生能進行量化研究，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識，強化實驗探究的過程。研究利用數(shù)字化技術(shù)對“法拉第電磁感應(yīng)”實驗進行一些改進并進行實驗探究。

1.2 實驗創(chuàng)新設(shè)計

由于磁鐵下落碰撞會造成實驗器材側(cè)壁及底部的損壞，故研究對實驗儀器進行了改進(圖1)。改進后的儀器采用“可調(diào)速電動機”將磁鐵調(diào)整為向上勻速運動，這樣不僅可以保護線圈，還可以極大地降低實驗中的誤差。在玻璃板中軸線上從上至下分別固定匝數(shù)為1200匝、900匝、400匝的三個線圈，保持三個線圈的中心在一條豎直線上，并且用圓柱形磁鐵代替了原有的條形磁鐵，從而保證磁鐵能夠均勻地從各個線圈的中央穿過。右側(cè)接線柱與中間的每個線圈相連，用于連接電壓傳感器，便于瞬時記錄每個線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小。由于法拉第電磁感應(yīng)定律“E=nΔΦ/Δt”實驗，要探究E與n(匝數(shù))、E與ΔΦ/Δt的關(guān)系，涉及兩個變量。因此，設(shè)計的實驗采用控制變量法：保持n不變，研究E與ΔΦ/Δt的關(guān)系；保持ΔΦ/Δt不變，研究E與n的關(guān)系。

圖1 改進后的數(shù)字化實驗裝置

1.3 實驗過程

1.3.1 實驗器材

實驗采用不同匝數(shù)的螺線管、電壓傳感器、光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、鐵架臺、電動機、強磁鐵。

1.3.2 探究E和n的關(guān)系

實驗使圓柱形磁鐵在電動機的牽引下以不同速率勻速上升，以探究E與n之間的關(guān)系。實驗時，將各線圈與電壓傳感器相連，使磁體由下向上穩(wěn)定均勻地上升，并將所獲得的數(shù)據(jù)(即感應(yīng)電動勢峰值)與匝數(shù)一一對應(yīng)，以求兩者間的聯(lián)系，見表1。

表1 E-n實驗數(shù)據(jù)

將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件中進行線性擬合，可以得到圖2。從圖2中可以看到，當(dāng)磁通量變化率一定時，感生電動勢E與n成正比。

圖2 二檔(上)、三檔(下)E-n關(guān)系圖

1.3.3 探究E與ΔΦ/Δt的關(guān)系

實驗選取最上部的線圈(1200匝)作為研究對象，通過調(diào)速器改變圓柱形磁鐵上升的速度，從而改變磁通量的變化率。在線圈末端截取一小段距離ΔL，使圓柱形磁鐵必定會經(jīng)過ΔL，從而保證磁通量的變化量(ΔΦ)不變；只需要改變每次經(jīng)過ΔL的時間，就可以改變磁通量的變化率。由于圓柱形強磁鐵勻速上升，所以經(jīng)過ΔL的時間Δt與圓柱形磁鐵經(jīng)過光電門的時間Δt1關(guān)系為：ΔL/Δt=L/Δt1(L為強磁鐵的長度)，得出Δt=(ΔL×Δt1)/L，所以只需證明E∝1/Δt1，就可以推出E∝1/Δt。實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 感生電動勢與時間和時間倒數(shù)的實驗數(shù)據(jù)

圖3 E-1/Δt1關(guān)系圖像

將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件中進行線性擬合，可以得出圖3。由圖3可知，E與磁鐵通過光電門傳感器的時間Δt1的倒數(shù)成正比。由此可以推出E∝1/Δt。

1.3.4 實驗結(jié)論

通過實驗驗證了當(dāng)磁通量的變化率ΔΦ/Δt相同時，電動勢E與線圈匝數(shù)n成正比，即E∝n；當(dāng)線圈匝數(shù)n相同時，E與ΔΦ/Δt成正比，即E∝ΔΦ/Δt。

2 “探究安培力大小”實驗

2.1 實驗發(fā)展背景

舊版(2006版)人教版教材沒有提及關(guān)于安培力的實驗。新版的人教版教科書按照《課標(biāo)》“通過實驗，認識安培力”“利用電流天平等簡易裝置測量安培力”[1]28的要求，在舊版的基礎(chǔ)上增加了相關(guān)實驗[2]2-5。但書中所涉及的實驗只能判斷安培力的方向，無法探究其大小與哪些因素有關(guān)。因為通電導(dǎo)線在磁場中產(chǎn)生的安培力很小，常規(guī)的實驗設(shè)備很難精確測量，因此難以設(shè)計合適的實驗。這也導(dǎo)致教師難以通過傳統(tǒng)的方法來研究安培力。

雖然原有的數(shù)字化安培力實驗裝置可以定量探究安培力與電流、導(dǎo)線長度的關(guān)系，但仍然存在以下兩點不足：(1)該實驗裝置并不能探究安培力大小與磁場方向和電流方向的夾角θ之間的關(guān)系；(2)只能間接證明安培力與導(dǎo)線長度L成正比，且只有兩組數(shù)據(jù)做支撐，實驗缺乏科學(xué)性。為了使學(xué)生能進行更加嚴(yán)謹、完整的研究，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識，強化實驗科學(xué)探究過程，研究利用數(shù)字化技術(shù)對“探究安培力大小”的實驗進行一些改進并進行實驗探究。

2.2 實驗創(chuàng)新設(shè)計

改進后的數(shù)字化安培力實驗裝置如圖4所示，將兩塊強磁鐵固定在圓盤上，底部安裝“可調(diào)速電動機”，接通電源之后可以使圓盤上的兩塊強磁鐵做勻速圓周運動，從而改變磁場方向和電流方向的夾角θ。力傳感器與線圈固定不動，線圈底部在磁場中。線圈上有幾個接口，可以改變線圈匝數(shù)，以實現(xiàn)改變導(dǎo)線長度的目的。

圖4 改進后的數(shù)字化安培力實驗裝置

2.3 實驗過程

2.3.1 實驗器材

改進后的實驗使用力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、線圈、滑動變阻器、轉(zhuǎn)盤、電動機、兩臺學(xué)生電源、強磁鐵和計算機。

2.3.2 探究F與I的關(guān)系

保證線圈匝數(shù)不變(即導(dǎo)線長度不變)，電流方向與磁場方向夾角相等，通過改變電壓來改變通電導(dǎo)線中電流的大小，因為I=U/R，R是定值，所以只要能探究出安培力與電壓的關(guān)系，就可以探究出安培力與電流的關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)如表3、圖5所示。

表3 F-U實驗數(shù)據(jù)

圖5 F-U關(guān)系圖

由圖5可知，F(xiàn)-U圖像是一條過原點的直線，F(xiàn)-U成正比關(guān)系，即F=K1U(K1為常數(shù))。因為整個電路中電阻不變，根據(jù)歐姆定律，I=U/R，所以F=K1RI，即F=K2I(K2=K1R為常數(shù))，由此可以推斷出當(dāng)導(dǎo)線長度、磁場方向與電流方向夾角不變時，F(xiàn)與I成正比。

2.3.3 探究F與L的關(guān)系

保證導(dǎo)線中電流不變，電流方向與磁場方向夾角相等。由于線圈電阻很小，改變匝數(shù)所帶來的電阻變化可以忽略不計，因而可以保證電流不變。由L=nK4(n：線圈匝數(shù)，K4：線圈下端邊長)可知，改變線圈匝數(shù)n，即可改變導(dǎo)線長度L。通過實驗，如果可以驗證安培力與匝數(shù)的關(guān)系，那么就可以推導(dǎo)出F與L的關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)如表4、圖6所示。

表4 F-n實驗數(shù)據(jù)

圖6 F-n關(guān)系圖

由圖6可知，F(xiàn)-n圖像是一條近似于過原點的直線。則表明F與n成正比關(guān)系，即F=K3n(K3為常數(shù))，已知L=nK4，所以F=K5L(K5=K3/K4)。由此可以推斷出，當(dāng)I、θ不變時，F(xiàn)與L成正比。

2.3.4 探究F與θ的關(guān)系

保證電流、導(dǎo)線長度不變，打開電動機開關(guān)，讓圓盤勻速轉(zhuǎn)動，從而改變磁場方向和電流方向之間的夾角θ，利用力傳感器和數(shù)字化軟件快速記錄安培力大??；將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件中進行擬合，其結(jié)果如圖7所示。實驗表明，在誤差允許的范圍內(nèi)，所成的圖像近似為三角函數(shù)圖像，函數(shù)關(guān)系式為F=Asinωt，t=θ/ω，所以F=Asinθ(A為常數(shù))。由此可以推斷F與θ之間成三角函數(shù)關(guān)系。

圖7 F-t關(guān)系圖

2.3.5 實驗結(jié)論

通過實驗驗證，安培力的大小與磁感應(yīng)強度、電流大小、導(dǎo)線長度成正比，與磁場方向和電流方向的夾角存在三角函數(shù)關(guān)系，即F=BILsinθ。

3 總結(jié)

數(shù)字化技術(shù)是輔助物理實驗教學(xué)的一種手段。在傳統(tǒng)實驗不能達到預(yù)期的實驗?zāi)繕?biāo)時，教師可以使用數(shù)字化技術(shù)對傳統(tǒng)實驗進行改進。但數(shù)字化實驗也會帶來一定的負面影響，諸如注重實驗結(jié)果，忽視探究過程。所以教師在運用數(shù)字化技術(shù)進行傳統(tǒng)物理實驗改進和實驗教學(xué)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮到這一點。

研究以兩個典型數(shù)字化實驗案例為例，對實驗裝置進行改進，并使用改進后的實驗裝置驗證了相關(guān)物理定律。以期通過優(yōu)化教學(xué)實驗，進一步培養(yǎng)學(xué)生的探究意識，拓展物理實驗方法，提高實驗教學(xué)的探究性，以滿足《課標(biāo)》對學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求及學(xué)生認知的發(fā)展規(guī)律。