【摘要】高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要手段，本文從“雙減”背景下高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀出發(fā)，以搖繩發(fā)電測(cè)量重慶地區(qū)地磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐為例，總結(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的五環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出一些建議.

【關(guān)鍵詞】“雙減”；高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“雙減”并不是縮減教學(xué)的過(guò)程，特別是在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)更應(yīng)注重過(guò)程教學(xué).本文以搖繩發(fā)電測(cè)量重慶地區(qū)的地磁場(chǎng)為例，淺談“雙減”背景下如何進(jìn)行高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

1 精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)情境和問(wèn)題更能讓學(xué)生有參與感，激發(fā)學(xué)生的求知欲，促使他們主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中獲得成長(zhǎng).例如，我們先介紹實(shí)驗(yàn)情境：地磁場(chǎng)比較微弱，在人教版普通高中物理教科書(shū)必修3上查得地磁場(chǎng)在地面附近的平均值為5×10-5T.正因?yàn)榈卮艌?chǎng)如此微弱，關(guān)于舊版高中物理教材中利用地磁場(chǎng)搖繩發(fā)電的小實(shí)驗(yàn)曾有研究者認(rèn)為“由于中學(xué)實(shí)驗(yàn)室條件的限制，在實(shí)際的操作中很難得到理想的結(jié)果”［1］.提出問(wèn)題：搖繩發(fā)電用靈敏電流計(jì)測(cè)電流實(shí)驗(yàn)效果不理想，你能對(duì)此方法進(jìn)行改進(jìn)嗎？如果測(cè)量出了感應(yīng)電流的大小，你能測(cè)量地磁場(chǎng)的大小嗎？

2 鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想

在搖繩發(fā)電的實(shí)驗(yàn)中，導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生的是一個(gè)微弱的低頻交變電流，如果直接用靈敏電流計(jì)測(cè)量電流的大小，指針不僅偏轉(zhuǎn)幅度不大而且會(huì)來(lái)回?cái)[動(dòng)導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，測(cè)量誤差較大，由于無(wú)法保證勻速搖繩，從而也會(huì)導(dǎo)致周期測(cè)量得不準(zhǔn)確.請(qǐng)學(xué)生大膽思考，我們還有沒(méi)有更精密的測(cè)電流的儀器？學(xué)生很快就想到利用傳感器進(jìn)行測(cè)量.給學(xué)生講解：我們可以利用介紹愛(ài)迪生Edislab3.0微電流傳感器MCS400測(cè)量感應(yīng)電流，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器處理，將感應(yīng)電流隨時(shí)間變化的圖象通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，從傳感器記錄的電流與時(shí)間數(shù)據(jù)表中讀出感應(yīng)電流的峰值，通過(guò)理論計(jì)算得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.

3 引導(dǎo)學(xué)生理論分析

在地面某一特定區(qū)域，地磁場(chǎng)可近似處理為勻強(qiáng)磁場(chǎng).當(dāng)兩名同學(xué)東西方向站立勻速搖動(dòng)繩子時(shí)即可有效地切割地磁場(chǎng)，此時(shí)轉(zhuǎn)軸剛好與地磁場(chǎng)垂直.設(shè)地磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，勻速搖繩的角速度為ω，繩子切割磁感線的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為r，則繩子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值為Em=BLωr.由Em=ImR可得，B=ImRLωr=ImRT2πLr，其中R為整個(gè)回路的總電阻，T是勻速搖繩的周期.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，Im取一段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電流峰值的平均值，T等于這段時(shí)間與這段時(shí)間內(nèi)繩子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的比值.

4 指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐操作

4.1 實(shí)驗(yàn)器材

長(zhǎng)約6m的銅芯導(dǎo)線一根，微電流傳感器MCS400一個(gè)（量程±5μA），米尺，J2362型簡(jiǎn)式電阻箱9999Ω兩個(gè)，微安表（J0415）一個(gè)，干電池一個(gè)，Edislab3.0數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，小磁針，導(dǎo)線若干等.

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，測(cè)量微電流傳感器的內(nèi)阻.將微電流傳感器MCS400與R1=1Ω的電阻箱并聯(lián)，干路接一個(gè)微安表和9999Ω的電阻箱R2，連接在1.5V的干電池上，電路圖如圖1所示.微安表測(cè)得干路電流I=150μA，傳感器電流I1=0.90μA，說(shuō)明與微電流傳感器并聯(lián)的電阻R1上的電流I2=I－I1=149.10μA，從而得出傳感器電阻為R=I2R1I1=165.7Ω，由于微電流傳感器的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于銅芯導(dǎo)線的電阻，則銅芯導(dǎo)線電阻可忽略不計(jì)，因此整個(gè)回路的總電阻R為165.7Ω.

其次，搖繩發(fā)電.將長(zhǎng)約為6m的銅芯導(dǎo)線兩端直接連接在愛(ài)迪生Edislab3.0微電流傳感器上，通過(guò)小磁針確定東西方向，由兩位同學(xué)沿東西方向站立勻速搖動(dòng)導(dǎo)線.如圖2所示，測(cè)量出面對(duì)面兩位同學(xué)雙手之間的距離記錄為繩子切割的磁感線的有效長(zhǎng)度L=3.0m，兩位同學(xué)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)處到地面的高度記錄為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=0.7m.

最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算Im在8.48～13.93s這段時(shí)間內(nèi)的平均值為4.20μA.這段時(shí)間內(nèi)共經(jīng)歷了8個(gè)周期，則搖繩轉(zhuǎn)動(dòng)的周期約為0.68s，如圖3所示.

因此，重慶地區(qū)地磁場(chǎng)

B=ImRT2πLr=4.20×10－6×165.70×0.682×3.14×3.0×0.7T

=3.59×10－5T.

5 輔助學(xué)生分析結(jié)果

從圖3可知，微電流傳感器得到的不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦交變電流，圖象上呈現(xiàn)出一定的畸形，在10.5s到12s這段時(shí)間內(nèi)峰值還偏小等，這與搖繩的穩(wěn)定性有關(guān).由于繩子與地面接觸拍打、搖繩過(guò)程中繩子扭曲形變等外界原因造成了時(shí)間軸下方的圖象左右不對(duì)稱等.測(cè)量結(jié)果與教材上地磁場(chǎng)在地面附近的平均值為5×10-5T在數(shù)量級(jí)上是統(tǒng)一的，與重慶大學(xué)劉安平［2］等利用光泵磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量重慶地區(qū)地磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.918×10-5T吻合較好.這也充分證明了可以利用微電流傳感器測(cè)量搖繩發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，根據(jù)高中物理電磁感應(yīng)相關(guān)知識(shí)測(cè)量地磁場(chǎng)的方法是可靠的.

參考文獻(xiàn)：

［1］傅興鋒，陳林鋒.對(duì)新教材中一道探究性實(shí)驗(yàn)題可行性的討論［J］.物理教學(xué)探討，2007（07）：29.

［2］劉安平，韓忠，陳曦，靳書(shū)昌，朱友軍.利用光泵磁共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量重慶地區(qū)地磁場(chǎng)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，26（05）：19-21.