啟發(fā)式教學(xué)在物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用探究

啟發(fā)式教學(xué)是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，通過提問、置疑、實(shí)驗(yàn)演示、師生互動(dòng)等方式引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立鉆研，使學(xué)生全面發(fā)展的一種教學(xué)方法。將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)新課程標(biāo)準(zhǔn)所提出的知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀等教學(xué)目標(biāo)。

“電動(dòng)機(jī)原理”屬于中學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，教學(xué)目的是觀察通電線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，分析其原因，說明電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的原理。下面以“電動(dòng)機(jī)原理”教學(xué)為例，介紹如何在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)法。

1 提出問題

引導(dǎo)學(xué)生觀察通電線圈在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并分層次提出以下問題：

(1)電能生磁，磁也能生電，交流發(fā)電機(jī)是磁生電的裝置，那它是如何將磁轉(zhuǎn)化為電的呢？

(2)通電直導(dǎo)線在磁場(chǎng)中要受到安培力的作用，用左手定則就可判斷出安培力的方向，但線圈總的受力情況又是怎樣呢？

(3)通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，有的線圈可以在導(dǎo)體支架上連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，有的線圈轉(zhuǎn)動(dòng)后卻停留在平衡位置處，那么線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的條件又是什么呢？

2 理論分析

理論教學(xué)是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。先提出問題：發(fā)電機(jī)為什么能發(fā)電？

由法拉第電磁感應(yīng)定律可知電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的大小與穿過閉合回路的磁通量的變化率成正比，即

ε=-NΔΦΔt（1）

其中，N為線圈的匝數(shù)。

在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻強(qiáng)磁場(chǎng)中放一平面線圈，位置如圖1所示。線圈與磁場(chǎng)方向的夾角為θ，磁通量

Φ=BScosθ（2）

其中磁感應(yīng)強(qiáng)度B、平面線圈面積S、面法線方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度方向的夾角θ均可變化，所以磁通量的改變量可寫為

由式（4）可知，當(dāng)B與S不變時(shí)，只改變?chǔ)冉且部稍诰€圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。發(fā)電機(jī)是通過外力使線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，改變?chǔ)冉莵戆l(fā)電的。如水電站就是通過水的沖力使渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子使線圈在磁場(chǎng)中相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，θ角發(fā)生變化，使線圈中產(chǎn)生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而向外電路提供電流，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

能否再將電流轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)呢？

實(shí)驗(yàn)觀察：將一通電的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形線圈放于磁場(chǎng)中，會(huì)發(fā)現(xiàn)線圈要轉(zhuǎn)動(dòng)，這又是什么原因呢？線圈能轉(zhuǎn)動(dòng)，它一定是受到了力矩的作用。力矩是哪個(gè)力產(chǎn)生的呢？是安培力嗎？磁場(chǎng)中通電直導(dǎo)線所受安培力

當(dāng)線圈處于圖2所示的位置時(shí)θ<0 (規(guī)定法向矢量位于圖2中的前半平面時(shí)與B正向夾角θ為負(fù)，反之為正；-π<θ<π )，在力偶矩M<0 的作用下線圈沿逆時(shí)針(俯視)方向開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)θ變?yōu)榱銜r(shí)M=0 ，線圈因慣性仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得θ>0 ，隨之力偶矩M>0，線圈在M>0 的作用下減速轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。仍在M>0 的作用下，線圈開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過平衡位置，使得θ<0。這樣線圈就在變力矩的作用下圍繞θ=0 的平衡位置作振動(dòng)，受阻尼影響線圈最后將停在θ=0 的位置處。怎樣才能讓線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)呢？

這就需要在θ>0 時(shí)讓電流反向或?yàn)榱悖错氈谱饕粋€(gè)換向器。為簡(jiǎn)便起見，讓?duì)?gt;0 時(shí)斷開回路中的電流，使線圈在由慣性得到的轉(zhuǎn)動(dòng)中不受安培力矩作用，仍保持原有的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)θ=π 時(shí)，再接通回路，線圈又重新受到力矩M<0 的作用而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此循環(huán)，線圈就可以持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)正是利用這一原理來制作換向器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

如何制作換向器呢？

如圖3所示，將線圈一端用漆包線連接，且漆包線一半導(dǎo)通，一半絕緣，線圈另一端用去掉所有絕緣漆的裸線連接。讓線圈在-π<θ<0 的時(shí)候回路導(dǎo)通，而在0<θ<π 時(shí)回路中斷，這樣就可實(shí)現(xiàn)線圈的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)探索

實(shí)驗(yàn)是在人工控制條件下，使物理現(xiàn)象可重復(fù)出現(xiàn)，供學(xué)生觀察的行為。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易理解物理概念、了解物理規(guī)律、提高動(dòng)手能力、產(chǎn)生對(duì)物理的濃厚興趣。由于“電動(dòng)機(jī)原理”屬于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，中學(xué)實(shí)驗(yàn)室一般沒有常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器，這就要求教師具有制作實(shí)驗(yàn)器材的能力，自制一些教學(xué)儀器。

3.1 制作工藝

將準(zhǔn)備好的永久磁鐵、包有絕緣漆的銅絲(漆包線)、細(xì)鐵絲、繞制線圈的正方形模具和圓形模具放于實(shí)驗(yàn)桌上。教師帶領(lǐng)學(xué)生繞制線圈、制作導(dǎo)體支架的主要過程如下：

首先取出正方形模具或圓形模具，把事先準(zhǔn)備好的漆包線繞在模具上，繞10至15匝，如圖4（a）所示。從模型上取下線圈，并用線圈接口處多余的漆包線固定線圈。接著將線圈一端用一半導(dǎo)通，一半絕緣的漆包線連接；線圈另一端用去掉所有絕緣漆的漆包線連接，實(shí)驗(yàn)所用的“轉(zhuǎn)子”就做好了。當(dāng)然學(xué)生還可繞制沒有換向器的“轉(zhuǎn)子”，也可按不同的模具繞制不同形狀的線圈。

接下來用細(xì)鐵絲按照?qǐng)D4(b)所示制作導(dǎo)體支架。在制作過程中，兩支架間的距離應(yīng)略大于線圈的直徑或長(zhǎng)度。為了使線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中不碰到永久磁鐵，支架的高度要略大于線圈的半徑與永久磁鐵厚度的總和。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)器材：自制的線圈與導(dǎo)體支架、永久磁鐵、導(dǎo)線、直流電源和開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：此實(shí)驗(yàn)主要是讓學(xué)生完成儀器的制作與組裝，并通過所學(xué)物理知識(shí)設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)物理概念和規(guī)律進(jìn)行總結(jié)。

實(shí)驗(yàn)分組：三人一組，分別完成線圈繞制、支架制作和組裝工作。

實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)將導(dǎo)體支架固定在表面絕緣的實(shí)驗(yàn)桌上，并用導(dǎo)線將電源、開關(guān)、導(dǎo)體支架按圖5連接起來。

(2)將線圈放在導(dǎo)體支架上，并將永久磁鐵置于線圈的正下方。

(3)閉合開關(guān)，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

(4)斷開開關(guān)，換其它形狀的線圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以將前面所提問題和理論分析簡(jiǎn)略地重復(fù)一遍，讓學(xué)生帶著疑問做實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)直觀地再現(xiàn)物理現(xiàn)象，使能學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中尋找樂趣，加深對(duì)理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)物理的興趣。比如觀察沒有換向器的線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，觀看線圈是振動(dòng)還是停留在平衡位置不動(dòng)？為什么？

3.3 總結(jié)提高

由于采用了啟發(fā)式教學(xué)，學(xué)生易懂易學(xué)，95%以上的實(shí)驗(yàn)小組都能完成實(shí)驗(yàn)儀器制作、實(shí)驗(yàn)觀察并寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)完成后還要注意總結(jié)與提高。

總結(jié)：通電線圈在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，它們?yōu)榉枪颤c(diǎn)力，這些力使線圈受到一力偶矩的作用，在力偶矩的作用下線圈圍繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

提高：電動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，必然存在能量的轉(zhuǎn)化。那么，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是哪些能量在相互轉(zhuǎn)化呢？

參考答案：水電站是利用水的沖力來發(fā)電，它是將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能?；痣娬臼菍⒚禾咳紵a(chǎn)生的一部分熱能轉(zhuǎn)化為電能。而電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化卻是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。詳細(xì)的物理過程有待于同學(xué)們?nèi)W(xué)習(xí)與探索。

4 結(jié)論

啟發(fā)式教學(xué)在“電動(dòng)機(jī)原理”設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)踐說明，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，通過提問、質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)演示、師生互動(dòng)等方式引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立鉆研的啟發(fā)式教學(xué)方法，確實(shí)是一種能使學(xué)生全面發(fā)展的好方法，將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，就可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，把新課程標(biāo)準(zhǔn)所提出的教學(xué)目標(biāo)落到實(shí)處。

(欄目編輯趙保鋼)

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