王興鳳

(西華師范大學(xué)物理與天文學(xué)院 四川 南充 637002)

羅光華

(綿陽(yáng)中學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)校 四川 綿陽(yáng) 621050)

代偉

(西華師范大學(xué)物理與天文學(xué)院 四川 南充 637002)

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基石和源泉.探究物理規(guī)律，揭示物理現(xiàn)象往往離不開實(shí)驗(yàn).高中物理核心素養(yǎng)的內(nèi)容之一就是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)探究.高中物理實(shí)驗(yàn)主要分為“演示實(shí)驗(yàn)”“學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)”和“課堂實(shí)驗(yàn)”[1].演示實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中占比很大，演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是趣味性強(qiáng)，形式多樣，所演示的物理現(xiàn)象能給學(xué)生留下深刻的印象，同時(shí)還能加深學(xué)生對(duì)所學(xué)物理知識(shí)的理解.而探究實(shí)驗(yàn)不僅能發(fā)展學(xué)生思維，更能鍛煉學(xué)生科學(xué)探究能力.由于自制教具能按照教師的教學(xué)意圖自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探究和演示，所以在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中自制教具大有用武之地[2].

1 演示實(shí)驗(yàn)引觀察 實(shí)驗(yàn)原理促思考

1.1 教學(xué)活動(dòng)

安培力新課引入實(shí)驗(yàn)中自制教具裝置如圖1所示.

圖1 小猴子蕩秋千

教師活動(dòng)：演示時(shí)將線圈推離平衡位置后釋放，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象(釋放的線圈在安培力和重力的作用下小猴子會(huì)來(lái)回不停地振蕩).

提問(wèn)思考：小猴子為什么會(huì)來(lái)回振蕩不停？

師：小猴子來(lái)回振蕩不停，是因?yàn)槭艿搅肆Φ淖饔茫亲屑?xì)觀察這個(gè)小教具，主要由什么組成？又是什么給了這個(gè)“小猴子”力的作用呢？

生：由支架，線圈，電池，磁鐵等組成.

教師：對(duì)，而且這個(gè)線圈還是通電的，也就是我們把通電的線圈放在磁場(chǎng)中，它就會(huì)受到力的作用.這是我們今天要學(xué)習(xí)的安培力.

1.2 自制教具器材與制作

圖1所示教具由3 V直流電源、網(wǎng)上購(gòu)買的40 mm×20 mm×8 mm銣磁鐵，線圈(線圈用0.8 mm左右的漆包線繞制而成，大約10圈即可，漆包線可從網(wǎng)上或電機(jī)維修店購(gòu)買)，塑料支架構(gòu)成.

制作時(shí)將線圈繞成多匝，繞后的線圈一個(gè)端頭刮掉絕緣漆通過(guò)金屬掛鉤與電源負(fù)極連接，另一個(gè)端頭刮掉絕緣漆后掰開大約30°左右，通過(guò)安裝在支架上的用螺釘做成的觸碰開關(guān)與電源正極連接(支架由木質(zhì)底座和塑料框架構(gòu)成，將塑料框架用鐵釘釘在底座上).教具組裝如圖1所示.

2 模型建構(gòu)學(xué)定則 自制教具猜因素

2.1 教學(xué)活動(dòng)

師：今天我們要學(xué)習(xí)的是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力——安培力，力是矢量，有大小有方向.那么通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的安培力的方向和什么因素有關(guān)呢？

教具組裝如圖2(a)所示.

教學(xué)活動(dòng)1:模型建構(gòu)學(xué)定則

(1)打開電源開關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向.

(2)將磁鐵翻面，導(dǎo)軌通電方向不變，引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向.

(3)將磁鐵恢復(fù)到步驟(1)，交換電源接線柱，引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向.

教學(xué)效果：學(xué)生能夠觀察到(1)與(2)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向相反，(1)與(3)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向也相反.可初步總結(jié)出，電流的方向和磁場(chǎng)的方向都會(huì)影響安培力的方向.

為了幫助學(xué)生更好地探究三者之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了如圖2(b)所示的安培力方向判別自制教具，用它分別探究磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向三者之間的關(guān)系.

(a)

(b)

借助自制教具通過(guò)分析最終總結(jié)得出判斷安培力方向的“左手定則”.通過(guò)安培力方向探究創(chuàng)新自制教具可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探究素養(yǎng).

教學(xué)活動(dòng)2:自制教具猜因素

(1)利用教具圖2(a)控制電源電流由小到大，引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的快慢.

(2)先將銅條導(dǎo)軌放置在PVC支架的左右槽中，此時(shí)不銹鋼導(dǎo)軌置于磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度為150 mm；第二次移動(dòng)其中一根銅條到支架中間槽中，此時(shí)不銹鋼導(dǎo)軌只有一半的長(zhǎng)度置于磁場(chǎng)中，前后兩次保持導(dǎo)軌中電流大小不變.引導(dǎo)學(xué)生觀察前后兩次導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的快慢.

(3)先用普通磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后在普通磁鐵上粘上幾塊強(qiáng)磁鐵，讓磁鐵磁性變強(qiáng).保持其他因素不變，引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)快慢.

(4)先后用規(guī)格相同的銅制導(dǎo)軌和鋁制導(dǎo)軌，保持電流大小、接入磁場(chǎng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度相同.引導(dǎo)學(xué)生觀察導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)快慢.

教學(xué)效果：(1)能觀察到導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)越來(lái)越快;(2)觀察到導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)第一次較快、第二次較慢；(3)能觀察到磁鐵磁性增大后導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)變快；(4)觀察到導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)快慢無(wú)明顯差別.

師：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，那么,安培力的大小與什么因素有關(guān)呢？

生：與電流大小、通電導(dǎo)軌處于磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度、磁鐵磁性強(qiáng)弱有關(guān).

設(shè)計(jì)意圖：安培力章節(jié)教學(xué)重點(diǎn)在探究安培力大小，而探究實(shí)驗(yàn)中最重要的是提出合理的猜想和假設(shè).通過(guò)自制教具引導(dǎo)學(xué)生觀察、總結(jié)出猜想效果遠(yuǎn)比直接給出猜想，組織學(xué)生機(jī)械地探究效果好得多，這樣也更符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯，與學(xué)生的思維能力更匹配.

2.2 自制教具器材與制作

圖2(a)自制教具裝置由24 V可調(diào)電源，導(dǎo)線，150 mm×100 mm×20 mm磁鐵，直徑20 mm不銹鋼管，4 mm×10 mm×300 mm銅條導(dǎo)軌(網(wǎng)上購(gòu)買)、320 mm×150 mm×15 mmPVC板支架等組成.

制作時(shí)在PVC支架中心位置開一個(gè)150 mm×100 mm的方孔，磁鐵安放在PVC板空中，另外在安放磁鐵的PVC板的兩邊分別安裝兩個(gè)150 mm×500 mm×15 mm的支架，在支架上的左中右3個(gè)位置上開3個(gè)4 mm×15 mm的槽用于安放銅條導(dǎo)軌.

圖2(b)自制教具用4塊120 mm×120 mm×5 mm的亞克力板相互垂直粘接而成.表示磁場(chǎng)方向的藍(lán)色箭頭用2 mm厚的亞克力板采用激光雕刻機(jī)加工而成，通過(guò)螺釘安裝在其中一塊板上，磁場(chǎng)方向可繞中心旋轉(zhuǎn)改變方向，同理黑色箭頭表示安培力方向.表示電流方向的箭頭放在兩塊板子的中心處，可以通過(guò)取上取下來(lái)改變電流的方向.

3 探究實(shí)驗(yàn)證猜想 學(xué)生分組解疑惑

3.1 教學(xué)活動(dòng)

要探究一個(gè)物理量與多個(gè)物理量的關(guān)系，根據(jù)之前的學(xué)習(xí)我們可以采取控制變量法分別探究安培力與這3個(gè)影響因素的關(guān)系，為此設(shè)計(jì)的自制教具原理如圖3所示，向?qū)W生介紹完定量探究安培力自制教具的設(shè)計(jì)方案和工作原理后，引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用該自制教具通過(guò)控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和科學(xué)探究能力.學(xué)生討論完實(shí)驗(yàn)探究方案后，讓學(xué)生分組完成探究任務(wù).

(a)

(b)

任務(wù)一：當(dāng)電流大小I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí)，通過(guò)改變線圈抽頭接線，探究安培力大小F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系.某些條件下不易直接測(cè)出物理量，物理學(xué)中通常會(huì)用便于直接測(cè)量的物理量來(lái)間接說(shuō)明，這就是轉(zhuǎn)換法[3].將線圈有效匝數(shù)增加倍數(shù)等效于導(dǎo)線有效長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)倍數(shù).需要注意的是線圈匝數(shù)改變后要保證線圈中的電流始終不變.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 I和B一定時(shí)探究F與L的關(guān)系

任務(wù)二：當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度L和磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí)，通過(guò)可調(diào)直流電源改變線圈中電流大小，探究安培力大小F與電流大小I的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示.

用圖像法處理兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，如圖4和圖5所示.得到的圖像結(jié)果均為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線.說(shuō)明安培力正比于導(dǎo)線電流大小,正比于導(dǎo)線有效長(zhǎng)度，即

F=kIL

表2 L和B一定時(shí)探究F與I的關(guān)系

圖4 F-L關(guān)系圖

圖5 F-I關(guān)系圖

任務(wù)三：當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度和電流大小一定時(shí)，更換不同磁鐵，探究磁感應(yīng)強(qiáng)度B和安培力大小的關(guān)系.磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小可以通過(guò)高斯計(jì)測(cè)量得到具體數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)全定量探究安培力大小影響因素.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 L和I一定時(shí)探究F與B的關(guān)系

用圖像法處理第三次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，得到帶有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)，將坐標(biāo)點(diǎn)用趨勢(shì)線擬合，如圖6所示，可見結(jié)果均為過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線.說(shuō)明安培力正比于導(dǎo)線電流大小，正比于導(dǎo)線有效長(zhǎng)度，正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度即F=BIL.

圖6 F-B關(guān)系圖

3.2 自制教具器材與制作過(guò)程

圖3所示教具由24 V可調(diào)直流電源、導(dǎo)線、磁鐵、朗威力傳感器、底座、線圈組成.底座由白色免漆木工板加工而成，在儀器的底座上安裝一個(gè)型號(hào)為OB-3030Q，尺寸為30 mm×30 mm的鋁合金型材做的支架，用來(lái)懸掛線圈.帶有多個(gè)抽頭線圈的抽頭接線穿過(guò)鋁合金型材的孔槽后接在底板接線柱上，線圈骨架內(nèi)框尺寸為180 mm×50 mm，寬度20 mm，線圈骨架用2 mm厚的椴木板加工而成.線圈用0.31 mm漆包線繞制而成，線圈抽頭分別為200，400，600，800匝，線圈的抽頭通過(guò)導(dǎo)線與底座上的接線柱連接.儀器底座上安裝一個(gè)從網(wǎng)上購(gòu)買的外徑為15 cm的餐桌轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上安裝一個(gè)直徑為300 mm，厚度為5 mm多層實(shí)木圓盤，圓盤上貼上從廣告店定制的圓形角度盤，圓形角度盤可在底座上轉(zhuǎn)動(dòng)以改變線圈底部有效邊與磁鐵磁感線的角度.兩塊50 mm×100 mm×20 mm的磁鐵用椴木板做成的支架隔開安放在圓形刻度盤上，磁鐵之間的間距可以通過(guò)調(diào)整支架隔板位置進(jìn)行調(diào)整.在兩塊磁鐵的中心位置把線圈懸掛在正上方的力傳感器上.線圈掛在力傳感器上要固定緊，不能左右轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)線圈底部有效邊與磁感線垂直，安放磁鐵和線圈時(shí)要保證線圈所受的安培力方向豎直向下.

4 學(xué)以致用 制作個(gè)性小旗旋轉(zhuǎn)電機(jī)

教師通過(guò)遷移本節(jié)課所學(xué)安培力知識(shí)，課堂展示自制小旗旋轉(zhuǎn)電機(jī)，如圖7所示.

圖7 自制旋轉(zhuǎn)小旗

在圓形鐵塊底座上放一個(gè)φ20 mm×30 mm圓形磁鐵，磁鐵上方放置一節(jié)干電池，在干電池的正極上敲一個(gè)凹坑.用直徑大約1 mm銅線繞一個(gè)線圈，線圈直徑比磁鐵直徑稍大，線圈上端放在電池正級(jí)上，下端與磁鐵靠在一起使線圈形成閉合回路，線圈左右兩邊粘上紅綠顏色膠帶，當(dāng)線圈放到電池上后電機(jī)就可旋轉(zhuǎn).讓學(xué)生解釋小旗為什么會(huì)旋轉(zhuǎn)不停.課后讓學(xué)生動(dòng)手制作具有自己個(gè)性的小旗，學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解.

5 結(jié)束語(yǔ)

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)采取將演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行.新課引入利用演示自制教具給學(xué)生創(chuàng)造有趣、生動(dòng)的教學(xué)情景，同時(shí)激發(fā)學(xué)生探究欲望.學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中利于創(chuàng)新的自制教具讓學(xué)生經(jīng)歷類似科學(xué)家的探索過(guò)程，不僅學(xué)習(xí)知識(shí)，加深對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解，更能鍛煉學(xué)生的科學(xué)探究能力，領(lǐng)悟科學(xué)精神，發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).由于探究實(shí)驗(yàn)往往需要較強(qiáng)的思維能力，所以在教學(xué)中教師要引導(dǎo)學(xué)生積極思考，使其逐步建立思維過(guò)程.利于創(chuàng)新自制教具，借助簡(jiǎn)單、直觀、便捷的教學(xué)器材來(lái)開展物理教學(xué),同時(shí)也能很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，提高其物理學(xué)科核心素養(yǎng).