利用DIS實驗提高感性認(rèn)識的實踐研究

吳宇鋒 俞麗萍

（春暉中學(xué) 浙江 上虞 312300）

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.一般而言，每一個物理規(guī)律都應(yīng)由很多實驗事實作支撐.人的思維從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，從觀察實驗結(jié)果到得出物理規(guī)律，不是一個被動的過程，應(yīng)該是一個能動的過程.當(dāng)感性材料達(dá)到一定程度的時候，思維能動地對這些材料進(jìn)行分析、綜合、比較、分類等，形成對事物的一般概括和理解.利用DIS可以提高學(xué)生的感性認(rèn)識，為學(xué)生理解物理現(xiàn)象、概念和規(guī)律打下一定的基礎(chǔ).

1 利用DIS幫助學(xué)生正確理解物理現(xiàn)象

感性認(rèn)識是進(jìn)行思維加工，正確理解物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機(jī)和興趣的有效武器.實驗是獲得感性認(rèn)識的重要途徑.運用實驗展示有關(guān)的物理現(xiàn)象，可以使學(xué)生獲得更生動、更深刻、更能反映事物本質(zhì)屬性或共同特征的感性認(rèn)識.

實驗案例1：導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流

實驗背景：在“電磁學(xué)”內(nèi)容中，要求學(xué)生建立“電－磁”關(guān)系模型，并理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì).此章的實驗對測量儀器要求很高，例如，要求有能測微安級電流的電流表，還要求能夠測量磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度等.傳統(tǒng)的實驗儀器在這方面恰恰存在欠缺.例如，在導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感生電流實驗中，最理想的實驗方案是使用單根導(dǎo)線，因為單根導(dǎo)線結(jié)構(gòu)簡單，最符合教材中對導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感生電流的描述，學(xué)生不存在認(rèn)知困難.但由于傳統(tǒng)實驗中測微小電流信號的靈敏電流計只能達(dá)到毫安級，再加上單根導(dǎo)線切割磁感線的感生電動勢很小，得到的感生電流相當(dāng)微弱，導(dǎo)致靈敏電流計指針偏轉(zhuǎn)很不明顯.在教學(xué)實踐中往往采取增加磁場強(qiáng)度、導(dǎo)線在磁場中有效長度的方法，或直接使用微電流放大電路.采取這些措施雖然取得一定效果，但導(dǎo)線長度的增加畢竟是有限的，微電流放大電路又利用了“放大電流”的輔助實驗設(shè)備.教師往往退而求其次，使用多匝線圈代替單根導(dǎo)線，使得學(xué)生在認(rèn)知過程中增加了將多匝線圈視為單一導(dǎo)體的“頭腦轉(zhuǎn)彎”.DIS微電流傳感器將實驗精度從靈敏電流計的毫安級提升到了微安級，從而能清晰地觀察到感應(yīng)電流.

實驗器材：蹄形磁鐵，銅棒，導(dǎo)線若干，微電流傳感器.

實驗原理：銅棒平行磁感線運動時，通過微電流傳感器，在計算機(jī)上顯示微電流的變化情況.

實驗過程：

（1）如圖1所示，銅棒通過導(dǎo)線與微電流傳感器相連.

圖1 銅棒在磁場中運動

（2）銅棒平行磁感線運動時，觀察微電流的變化情況.

（3）銅棒切割磁感線運動時，觀察微電流的變化情況.

實驗結(jié)果：如圖2所示，當(dāng)導(dǎo)體棒平行磁感線運動時，導(dǎo)體棒中沒有感應(yīng)電流.如圖3所示，當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線運動時，導(dǎo)體棒中產(chǎn)生感應(yīng)電流.利用非常簡單的實驗裝置，直接顯示了導(dǎo)體棒在切割磁感線時產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象.“耳聽為虛，眼見為實”，有了微電流傳感器的幫忙，導(dǎo)體棒在磁場中切割磁感線時產(chǎn)生感應(yīng)電流現(xiàn)象能非常清楚地被學(xué)生觀察到.

圖2 導(dǎo)體棒平行磁感線運動

圖3 導(dǎo)體棒切割磁感線運動

2 利用DIS幫助學(xué)生形成正確的物理概念

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映.只有充分獲得有關(guān)事物的感性材料，才能形成正確的物理概念，充分理解物理概念的內(nèi)涵和外延，靈活解決物理問題.感性認(rèn)識是物理概念學(xué)習(xí)過程中的主要思維過程之一.

實驗案例2：“反電動勢”概念的理解

實驗背景：“反電動勢”是學(xué)生普遍感到難以理解的物理概念.特別是當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增大時，電路中的電流逐漸減小；當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增大時，轉(zhuǎn)速減小，甚至是電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，電路中的電流又會增大到某一個值.學(xué)生感覺反電動勢太“奧妙”了.在傳統(tǒng)的實驗中，一般將電動機(jī)與靈敏電流計相連接，利用靈敏電流計顯示電動機(jī)中電流的變化情況.但靈敏電流計的指針太過靈敏，顯示不出隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，電路中電流逐漸變小的過程，對學(xué)生正確理解“反電動勢”的概念造成了一定障礙.

實驗過程：

（1）如圖4所示，將穩(wěn)壓電源（6V）、電動機(jī)、電流傳感器和開關(guān)S串聯(lián)在電路中.其實物的連接圖如圖5所示.由于學(xué)生難以觀察電動機(jī)的中心軸轉(zhuǎn)動，故在電動機(jī)的軸上套一塊橡皮，以便學(xué)生通過橡皮的轉(zhuǎn)動情況觀察電動機(jī)中心軸的轉(zhuǎn)動情況.

圖4 “反電動勢”實驗電路圖

圖5 “反電動勢”實驗實物圖

（2）閉合開關(guān)S，打開DIS自帶的軟件開關(guān)，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，同時，在計算機(jī)屏幕上顯示了電路中的電流隨時間的變化情況.

（3）用手捏住橡皮，使電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，在計算機(jī)屏幕上顯示了電路中的電流隨時間的變化情況.

（4）整個過程中，電路中的電流隨時間的變化情況如圖6所示.從圖中可以看出，在開關(guān)剛閉合的瞬間，即電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動的過程中，電路中的電流逐漸增加.當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電路中的電流亦穩(wěn)定.當(dāng)電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，電路中的電流突然增大.

圖6 電流隨時間的變化情況

實驗結(jié)果：通過實驗，發(fā)現(xiàn)反電動勢與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān).若穩(wěn)壓電源為U，電動機(jī)線圈電阻為R，則由

可得

E反與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載增大時，轉(zhuǎn)速減小，E反減小，故電流I突然增大.

3 利用DIS幫助學(xué)生正確理解物理規(guī)律

物理規(guī)律是觀察實驗、物理思維和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的產(chǎn)物.如果沒有足夠的能夠把有關(guān)的物理現(xiàn)象及其之間的聯(lián)系鮮明地展示出來的實驗，學(xué)生就很難理解物理規(guī)律的來龍去脈、物理意義、適用條件等，從而影響對物理規(guī)律的掌握和理解.

實驗案例3：自感現(xiàn)象

實驗背景：自感是學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)內(nèi)容的一個難點.在進(jìn)行實驗的過程中，電路如圖7所示，先閉合開關(guān)S使小燈泡A發(fā)光，然后斷開開關(guān).請學(xué)生觀察開關(guān)斷開時小燈泡的亮度.但小燈泡亮的時間非常短，而且由于沒有對照的小燈泡，很難觀察到其亮度是否比原來更亮，更無法知道流過小燈泡電流方向的變化情況.

圖7 自感現(xiàn)象實驗傳統(tǒng)電路圖

實驗過程：

（1）實驗電路如圖8所示.在小燈泡A所在的支路上串聯(lián)一個電流傳感器，其實物連接如圖9所示.

圖8 改進(jìn)的自感現(xiàn)象實驗電路圖

圖9 改進(jìn)的自感現(xiàn)象實驗實物圖

（2）閉合開關(guān)，電路穩(wěn)定后，小燈泡A發(fā)光，然后斷開開關(guān)S.請學(xué)生觀察在斷開開關(guān)S時，小燈泡A亮度的變化情況.同時，通過電流傳感器在計算機(jī)屏幕上顯示出電流隨時間t的變化情況，如圖10所示.

圖10 自感現(xiàn)象實驗電路變化情況

實驗結(jié)果：從圖10中，不難看出，電路穩(wěn)定時，電路中的電流為0.2A，在斷開開關(guān)S瞬間，電路中的電流為0.25A，比原電流大，并且流過小燈泡的電流方向發(fā)生了變化.

實驗案例4：研究軟硬物體間的作用力與反作用力

實驗背景：“雞蛋碰石頭”往往被作為學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓第三定律以后，對牛頓第三定律的具體應(yīng)用.雞蛋對石頭的作用力與石頭對雞蛋的作用力為什么會相等呢？因為雞蛋對石頭的作用力與石頭對雞蛋的作用力是一對作用力與反作用力.那么，可不可以通過實驗來證明呢？

實驗過程：

（1）如圖11，將礦泉水瓶的中間截斷，得到一個透明的塑料環(huán).用雙面膠將塑料環(huán)和橡皮連接起來.

圖11 礦泉水瓶截成的塑料環(huán)和橡皮粘貼一起

（2）如圖12所示，將塑料環(huán)的一端和橡皮的一端分別與兩個力傳感器相連.兩個力傳感器分別顯示了塑料環(huán)與橡皮之間相互作用力的大小.

圖12 驗證塑料環(huán)與橡皮間相互作用力

（3）在外力的作用下，使塑料環(huán)發(fā)生形變.在計算機(jī)屏幕上顯示了兩個力傳感器之間的相互作用力（即橡皮對塑料環(huán)的作用力和塑料環(huán)對橡皮的作用力）.橡皮比較硬，相當(dāng)于“石頭”，塑料環(huán)比較軟，相當(dāng)于“雞蛋”.

實驗結(jié)論：由圖13可得，軟的物體對硬物體的作用力與硬物體對軟物體的作用力大小相等，方向相反.

圖13 橡皮與塑料環(huán)間的相互作用力

4 反思與討論

（1）實驗條件的控制

利用DIS提高感性認(rèn)識的實驗要求現(xiàn)象明顯，容易對實驗的變量進(jìn)行控制.此類實驗往往通過改變實驗變量，在不同情況下得出前后兩種不同實驗結(jié)果的對比，得出實驗結(jié)論，加深對物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律的理解.例如，在“導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗”中，改變銅棒運動的方向，通過“導(dǎo)體棒平行磁感線運動”與“導(dǎo)體棒切割磁感線運動”兩種不同的實驗情況而得出感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件.

（2）實驗發(fā)生的階段

演示實驗的目的之一是讓教師引導(dǎo)學(xué)生對物質(zhì)（物體）的屬性或關(guān)系進(jìn)行探究，通過對感性材料的研究概括出物理概念或總結(jié)得出物理規(guī)律.就教學(xué)設(shè)計而言，利用DIS提高感性認(rèn)識的實驗往往設(shè)置在一個問題或一個課題的引入階段.例如，“導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流實驗”說明“導(dǎo)體棒切割磁感線能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流”，但產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么，產(chǎn)生的感應(yīng)電流遵從怎樣的規(guī)律，都是后續(xù)深入研究的問題.“反電動勢”的實驗說明，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化會引起電路中電流的變化，“電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化為什么會引起電路電流的變化”為學(xué)生進(jìn)一步理解“反電動勢”概念作了一定的鋪墊.

（3）DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的整合

“自感現(xiàn)象”的DIS實驗很好地體現(xiàn)了DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的整合.圖9中的實驗裝置在傳統(tǒng)實驗中用來演示當(dāng)開關(guān)斷開的瞬間流過小燈泡電流的大小與開關(guān)閉合時流過小燈泡電流的大小關(guān)系，在開關(guān)閉合的瞬間，小燈泡“閃”了一下，說明通過小燈泡的電流比原來大了.在原傳統(tǒng)實驗裝置的基礎(chǔ)上，DIS實驗對實驗裝置進(jìn)行了進(jìn)一步的改造，接入電流傳感器（圖8），既讓學(xué)生觀察到了電路中小燈泡的明暗變化情況，又借助于DIS軟件，使學(xué)生看到了流過小燈泡的電流的大小及方向的變化情況.此實驗“一舉兩得”，很好地體現(xiàn)了DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的整合.