利用手工制作突破電磁學難點的探索與思考

徐 平

(海安縣南莫中學 江蘇 南通 226681)

電磁學是中學物理知識的交匯點，既是教學的重點又是難點.這部分內容抽象，師生普遍感到難教、難學.但如果發揮手工制作的優勢，引導學生合作化學習，激發其好奇心和探究欲，就能化難為易，讓學生品嘗到學習的快樂.

1 繞定點平轉粒子運動軌跡清范圍明

1.1 材料及制作

材料：白紙(8K)1張，硬紙板(15 cm×15 cm)1張，蠟紅紙(10 cm×10 cm)1張，圓規、圖釘、剪刀各1個，紙膠.

制作：以同桌兩學生為一小組.用圓規在硬紙板上畫一個半徑約為6 cm的圓，用剪刀剪下并在圓心O處開一小孔，從蠟紅紙上剪下一箭頭，并將其用紙膠貼到圓紙板的邊緣(表示粒子的運動方向)，再用圖釘釘在貼有箭頭處，然后將它們一起釘到白紙的中央.在白紙上標明垂直于紙面向里的勻強磁場.

1.2 創設情境提出問題

有一不計重力，帶正電的粒子源位于O處，以平行于紙面、不變的速率，向各個方向射出粒子(其軌道半徑恰好為硬紙板的半徑).

利用上述小制作，猜想、分析推理、討論交流，探究如下課題.

(1)粒子所能到達的最大區域

1)在紙面內向下射出粒子的運動軌跡；

2)它所能達到的最大范圍；

3)向不同方向射出粒子，其軌跡有何特點？

4)怎樣得到各種情況下的軌跡？

5)如何畫出粒子所能到達的最大區域？

合作實驗：學生剛完成制作，很興奮，立即能感悟到向各個方向射出粒子的軌跡都是半徑相同的圓.裝好硬紙板后，早就嘗試著旋轉圓紙板得到粒子能達到的最大范圍.他們將鉛筆緊靠紙板邊緣，讓紙板旋轉一周畫出粒子所能到達的最大區域(如圖1中以O為圓心，半徑為紙板直徑的圓).

圖1

(2)粒子軌跡圓圓心的軌跡

合作實驗：有了上述基礎，學生很快能將鉛筆置于圓紙板圓心的小孔處，讓紙板旋轉一周便得到了粒子軌跡圓圓心的軌跡(如圖中1以O為圓心，半徑為紙板半徑的圓).

(3)粒子打到擋板上的范圍

情境拓展：再假設距粒子源距離為軌跡圓半徑的地方放置一擋板(從蠟紅紙上剪下一長窄條貼于此處，作為擋板的標志)，利用小制作探究向各個方向射出粒子能打到擋板上的范圍.

合作實驗：多數學生能夠通過旋轉紙板得出和擋板相交的

圖2

兩個最遠點，領悟到一個臨界點為下方距粒子源為軌跡圓直徑的地方，另一臨界點為上方的軌跡圓與擋板相切處(圖2).

(4)粒子可能經過的區域

圖3

情境拓展，再引問題：水平放置一平板MN(板上O處有一小孔)， 其上方有一垂直于紙面向里的勻強磁場.從小孔O向各個方向射入許多質量、速率、電荷量均相同，不計重力的帶正電的粒子(圖3)，探究這些粒子可能經過的區域.

圖4

合作探究：帶電粒子的速度方向可變，它們在磁場中的運動軌跡是位于平板上方通過O點的一系列圓弧.置于O點的圓紙板以O為轉動點旋轉所掃過的區域，即為粒子可能經過的區域(圖4).

1.3 思維障礙的跨越

探究在水平面內某粒子源向各個方向發射的粒子所能到達的最大區域、軌跡圓圓心的軌跡、粒子打到擋板上的范圍以及可能經過的區域，這些新穎課題對學生來說具有很強的吸引力，激發了他們的好奇心.他們通過猜想、推理分析、爭辯、操作論證，最終得出結論，成功感油然而生.還可對以前模糊認識進行反思、矯正，生成創新火花.如利用小制作，還能提出和解決哪些問題？小制作還可以做哪些改進？這些都潛移默化地培養了學生的創新能力.

2 繞定軸翻轉求磁通量變化轉愁為喜

2.1 材料及制作

材料：白紙(8K或16K)1張，紅水筆1支，紙膠(或膠帶)，剪刀.

制作：從白紙上剪下邊長為12 cm的正方形，用紅水筆將一面涂紅，并將一邊貼在筆芯上(筆芯作為轉軸，如圖5).

2.2 合作實驗探究未知

創設情境：桌面所在的水平面內存在著豎直向下的勻強磁場，有一矩形單匝線圈置于水平面內.要求利用小制作完成下列探究.

(1)線圈繞一邊為軸旋轉180°的過程中，磁通量的變化量.

(2)線圈繞一邊為軸旋轉135°的過程中，磁通量的變化量.

合作實驗：多數學生能夠通過線圈繞軸旋轉感悟到從紅色穿進白色穿出與從白色穿進紅色穿出時磁通量的不同，具體實驗如圖5,6.

圖5 圖6

2.3 思維障礙的跨越

磁通量的變化為兩標量之差.學生往往受兩正數相減的慣性思維影響而出錯.利用小制作的合作實驗，讓學生親身體會到對同一平面從相反方向穿過時磁通量的不同，又通過相互討論得出：同一平面的不同穿法可用正、負號表示，如從紅色面穿進,白色面穿出時為正；從白面穿進，紅色面穿出時為負.先確定正負再相減.這樣,學生的理解會達到一定的深度，求標量的變化問題就會迎刃而解.

3 展示運動細節電流變化規律變容易

3.1 線框在磁場中繞定軸轉動時感應電流方向的確定

(1)材料與制作

材料：白紙(8K)1張，膠帶，水筆，剪刀.

制作：從白紙上剪下邊長為12 cm的正方形，用紅色水筆將一面涂紅，并在4個頂點標上a,b,c,d,用4～5 cm的膠帶，使其一段貼在ab邊的中點，另一段用手提著懸于空中(圖7).

圖7

(2)合作實驗探究未知

創設情境：在磁感應強度大小為B，方向豎直向上的勻強磁場中，有一質量為m，阻值為R的閉合矩形金屬線框abcd,用絕緣輕質細桿懸掛在O點，并可繞O擺動.金屬線框從右側某一位置靜止開始釋放，在擺動到左側最高點的過程中，細桿和金屬框平面始終處于同一平面，且垂直紙面.利用小制作探究線框中感應電流的方向.

合作探究：同組的學生結合小制作按步驟探究，最后歸納磁通量變化和感應電流方向的判斷方法.

(3)思維障礙的跨越

線框從右側下擺至左側最高點的過程中，若在右側時線框abcd紅色面朝右上，磁感應線從白色面穿進紅色面穿出，擺到左側時磁感應線從紅色面穿進白色面穿出，磁通量的正負發生了變化；線圈的左右位置互換.這些都給學生判斷感應電流的方向帶來了思維障礙，稍不留神就會出錯.學生從動手制作和討論中，體會到磁通量的正、負和線圈左右位置變化對感應電流方向的影響，領悟到用線圈的涂色、標號解決問題的優越性(答案為d→c→b→a→d).

3.2 線框在磁場中平動時感應電流方向的確定

(1)材料與制作

材料：白紙1張，水筆，剪刀.

制作：從白紙上剪下兩塊邊長為12 cm的正方形，并將其中一塊沿對角線折疊后放開，用紅色水筆沿折線畫一虛線，在紙面內畫一垂直于紙面向里的勻強磁場，兩頂點標上字母a，b.將另一塊沿中線折疊后放開，也用紅色水筆沿折線畫一虛線.

(2)合作實驗探究未知

創設情境：如圖8，一個邊長為l的正方形虛線框內有垂直于紙面向里的勻強磁場.一個邊長也為l的正方形導線框所在平面與磁場方向垂直.虛線框

圖8

對角線ab與導線框的一條邊垂直，ba的延長線平分導線框．在t=0時，使導線框從圖示位置開始以恒定速度沿ab方向移動，直到整個導線框離開磁場區域．

合作探究：同桌的兩學生，一人將一正方形作為磁場固定，另一人讓正方形線圈的中線沿磁場的對角線緩慢移動，線框穿過磁場的復雜過程盡收眼底，很容易得出線框中感應電流隨時間的變化規律，進而作出i-t圖線.

(3)思維障礙的跨越

圖9

正方形線圈沿正方形磁場的對角線移動的過程中，隨著線圈兩邊分別進入、移動、離開，切割磁場邊的有效長度不斷變化，總感應電動勢不斷變化，導致感應電流的大小和方向隨時間變化，這是作i-t圖像的難點.通過緩慢地移動，展示線圈運動的慢鏡頭，省去作繁雜的過程圖；有效切割長度的變化、感應電動勢的疊加和感應電流的變化會體現得淋漓盡致.又通過合作討論，加深對感應電流正負的規定、橫(縱)軸及坐標的選取、單位的確定、電流與時間規律的理解(其正確答案如圖9).

4 結束語

利用手工制作，突破電磁學難點的案例還遠不止這些.它的意義在于創設了新穎的情境，豐富了學生的情感體驗，營造了輕松愉快的學習氛圍，賦予學習活動的新奇感，使學生的認知過程變得有趣；在于讓學生感受到“科學就在我身邊”，體驗科學真實性的實踐；在于引導合作化學習，讓學生成為學習的主人；還在于敲開學生的思維源泉，培養動手和創新能力；在于不花錢，能解決許多有價值的大問題.

著名物理教育家朱正元教授早在20世紀70年代就倡導“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，并為此終生示范，至今仍為廣大中學物理教師所稱道.在實施新課程的今天，我們更有必要身體力行，將這種思想發揚光大.