巧用實驗突破物理學習的思維拐點

周紀良

（寧波市鄞州區姜山中學 浙江 寧波 315191）

學習定勢是指學生對學習活動的心理準備狀態.學生已有的生活經驗、知識結構、思維方式，以及需要、愿望、態度等都能構成其學習的心理準備狀態，對學習發生定勢作用，從而對學習活動產生影響.學習定勢對學習有積極的作用，也有消極的作用.學生在物理學習中往往存在各種學習定勢，如思維定勢、視覺定勢等.例如，在“互感和自感”一節學習中，學生存在以下思維定勢.

（1）之前在學習直流電時，認為線圈是普通導線或電阻，在簡化恒定電路的過程中又視為短路.這一定勢會制約學生對自感和變壓器電路的正確分析.

（2）教材中直接給出兩個電路演示通電和斷電時的自感現象，這種方法往往會使學生形成一個電路只出現一種自感現象的思維定勢，學生也難理解這樣設計兩個電路的原因.

（3）演示斷電自感現象時，學生只能看到燈泡突閃一下后熄滅，給學生頭腦中形成斷電自感電動勢的作用只是使電路中電流增大一下的錯誤思維，而且沒有顯示燈泡中的電流方向的變化.

（4）學生對瞬時高壓自感電動勢和磁場能量的認識，可以從理論上推理，但不一定信服.

為使學生克服學習定勢帶來的障礙，找到思維的拐點，撥正思維的方向，我們設計了一系列傳統的演示實驗和數字化演示實驗.

1 徒手取電實驗——線圈功能的再認識

我們設計了如圖1所示的“徒手取電實驗”，線圈L1接220V交變電壓，燈泡直接用導線連接，通過增加L2纏繞在鐵芯上的匝數，最終燈泡能發光嗎？在學生不斷地增加線圈L2匝數的過程中，燈泡逐漸地由暗變亮，此過程說明線圈L2成了電源.因通過線圈L1的電流變化，使穿過線圈L2的磁通量發生變化，線圈L2中產生了感應電動勢.

圖1

2 通電自感電路的設計——顯示對比實驗的魅力

在如圖2所示電路中，學生能根據電磁感應規律推斷出，當開關S閉合時，通過線圈的電流增大，

圖2

圖3

在線圈中會產生感應電動勢.但要學生真的相信，必須設計實驗來檢驗.由楞次定律判斷，感應電動勢與電源電動勢是反接的，這樣必然會對回路電流產生影響，用串聯燈泡的亮度變化來顯示（圖3）.演示后，通過小燈泡A1的發光情況，很難判斷線圈中是否有感應電動勢產生.到底是自感現象沒有產生，還是小燈泡的發光變化不明顯而觀察不清楚？能不能再用一個開關合上立即就亮的燈泡作“對比”呢？學生設計了如圖4所示的通電自感的演示電路.這樣就突破只從線圈支路找原因的定勢，另辟蹊徑找到了學生的思維拐點.

3 斷電自感電路的設計——視覺定勢的突破

如圖4所示，當開關S斷開時，學生能從理論上推得線圈中會產生感應電動勢.實際上，當開關S斷開時，兩燈A1，A2都熄滅了，看不出有延時效果，使學生形成用此電路只會發生通電自感的思維定勢.燈泡的亮度并不與電流的大小成正比，因而不能正確地反映電流的大小，也不能指示電流方向.為此，我們用靈敏度高的DIS實驗系統研究通電自感和斷電自感現象，DIS實驗系統通常由三部分構成即傳感器、數據采集器、計算機.旋下兩個小燈泡，將兩個電流傳感器串聯在原來兩個燈泡的位置.閉合和斷開S即可通過計算機上的DIS通用軟件界面觀察到線圈中電流變化的圖線（圖5）.可以觀察到：通電后，通過小燈泡A1的電流逐漸增大，推遲了電流達到穩定值的時間；斷電后，燈泡A1的電流從原值逐漸減小為零，電流方向不變.通電后，通過小燈泡A2的電流迅速增大到一個峰值（圖5中凸起處），然后穩定下來；斷電后，燈泡A2的電流立即反向，電流的大小逐漸減小為零.經分析，斷電后流過小燈泡A2的電流不是原來電流，而是線圈中的感應電流.DIS測量就解決了因燈泡在視覺上顯示不出電路中電流的瞬間動態變化的視覺定勢，并充分體現了DIS實驗系統的優勢所在——量化功能.

圖4

圖5

那么，我們就找到了燈泡由亮到更亮的視覺拐點顯示斷電時的自感電動勢作用，使原電路有線圈支路的電流要大于燈泡A2支路的電流.這樣當開關斷開時，線圈中產生感應電動勢與燈泡A2構成串聯回路，造成流過燈泡A2的感應電流起先大于原來穩定時的電流，燈泡A2先閃亮一下再熄滅.為此，必須使線圈支路的直流電阻小于燈泡A2支路的電阻.學生提出要么將燈泡A1去掉，要么將燈泡A1連接到燈泡A2支路.為使電路結構簡單，我們用如圖6電路演示通電自感.于是，學生就明白了這個實驗的設計意圖.當然，為了顯示斷電自感的感應電流方向，提示學生可以利用發光二極管的單向導電性改進電路設計.

圖6

4 點燃酒精燈實驗——感受瞬時高壓自感電動勢

學生在學習自感現象的防止的實例——油浸開關時，當含有線圈的電路中開關斷開時會產生很大的自感電動勢，對此學生將信將疑，往往只是從公式理性上認識自感電動勢大小，感受不深.我們模擬了用自感點燃酒精燈的小實驗（圖7）.用6V直流電源與自感線圈（利用身邊的日光燈鎮流器中的線圈）串聯，其中兩根導線削去絕緣，先使裸體金屬導線接觸并靠近酒精燈芯.接著迅速斷開觸點，這時酒精燈被點燃.因為線圈L中的電流急劇減少，產生很大的自感電動勢，它和電源電壓疊加起來產生高電壓，使空氣電離產生電火花點燃酒精燈.這樣學生對斷電時線圈中產生更大的電動勢深信不疑.同時，可引導有興趣的學生來研究汽車的點火裝置原理.

圖7

5 點亮節能燈管實驗——相信磁場能量的存在

教材中關于磁場的能量，是通過能量的轉化和守恒的思想作出的一個合理假設：線圈的磁場中儲存了能量.學生只是知道有磁場的能量，很難相信線圈中真的存在磁場能量.我們做了點亮節能燈管實驗（圖8）.節能燈管越靠近接通電源的輝光球，亮度越高.節能燈管發光說明它接收了能量，而在輝光球附近存在的是電磁場，顯然是電磁場提供了能量.

圖8

綜上所述，在物理教學中要注重研究學生可能存在的各種思維、視覺、前概念等定勢，有針對性地、創造性地設計適合的實驗，運用實驗誘發思維，將新舊知識的矛盾尖銳地擺在學生面前，使他們的思維處在激烈的非平衡態中，以突破學生學習的思維定勢.運用實驗去點撥思維，可起到“千言萬語說不清，一看實驗就分明”的效果.