成功應用大學物理演示實驗教學法一例

李 銳，錢良存，梅 林

（安徽農業大學 理學院，安徽 合肥 230036）

成功應用大學物理演示實驗教學法一例

李 銳，錢良存，梅 林

（安徽農業大學 理學院，安徽 合肥 230036）

闡述了演示實驗教學法應用中必須處理好的三個問題：與中學物理教學的銜接問題；現代手段和“原始裝置”的問題；創造思維和邏輯思維能力的培養問題.以自感現象教學中的一個成功實例來具體說明演示實驗教學法的實施過程.

大學物理；演示實驗；培養能力

大學物理教學的基本任務是使學生掌握物理學的基本概念、基本規律和基本方法，培養分析問題和解決問題的能力.掌握三基是培養能力的基礎，培養能力是掌握三基的歸宿.因此，在整個教學活動中教師都必須注意培養能力這一核心問題.對于課堂教學而言，培養學生能力的方法很多，而演示實驗教學法是一個重要的方法[1].本文就該法在教學中使用應注意的三方面問題加以闡述，并舉一實例來體現上述思想.

1 運用演示實驗教學法培養學生能力應注意的問題

1.1 與中學物理教學的銜接問題

目前流行的大學物理教科書中演示實驗為數不多，且大多和中學教材重復.教師在設計、演示這些實驗時，必須在中學物理教學的基礎上加深和擴展，避免重復，否則，難以收到預期的效果.

1.2 現代手段和“原始裝置”的問題

現代科技能展現許多物理過程，但過于復雜的實驗裝置，魔術般的演示，會使學生茫茫然.其實，裝置愈簡單直觀，學生愈易抓住演示現象的實質；演示越生動明顯，越能激發學生的興趣和探索精神.因此，演示實驗既要注意運用現代手段，更要重視不起眼的“原始”裝置，后者對能力的培養往往更為有利[2].

1.3 創造思維和邏輯思維能力的培養問題

利用演示實驗培養能力的途徑有兩種：通過對演示現象的分析、推理和歸納，建立物理概念或導出物理規律，以培養和發展學生的邏輯思維能力；應用已有的知識構思演示實驗，解釋演培養示現象，進行討論式教學，以培養和發展學生的創造思維能力[3].在教學實踐中教師總偏愛或習慣于前者，但應該明白，創造性思維屬于高層次思維，對于分析解決問題而言，創造性思維能力更可貴，因此，對它的培養應給予足夠的重視和加強.

2 一個成功的演示教學的實例

我們在大學物理自感現象教學中，經常用到圖1的演示實驗[4]，當電鍵K由閉合突然開啟時，小燈泡A并不立即熄滅，而是更亮的一閃后才熄滅掉.這是一個裝置簡單、直觀又生動的演示實驗，但高中物理作為講授自感現象的導入性實驗而演示過，重復演示將使學生感到索然無味.因此，在教學實踐中我們把它放在暫態電流和自感磁能內容之后進行演示，邊演示邊引導學生討論，步驟如圖1-圖5.

圖1

圖2

圖3

圖4

2.1 學生的誤解

教師按圖1演示并提問：為何會更亮的一閃？學生幾乎一致認為是電鍵開啟迅速，線圈中產生一很大的自感電動勢E L，開啟越快E L越大.這是一種錯覺，由第二步的演示證明:

2.2 抓住電流

如圖2，調R1，使I1≤I2，讓學生開啟電鍵K，無論如何加快動作均無閃光出現.再調R1，使I1≥2 I2，緩慢開啟K，則可見明顯的閃光.這步演示啟發學生，必須抓住通過燈泡的電流來解釋閃光現象.令R1和R2分別表示線圈支路和燈泡支路的總電阻，K開啟后通過燈泡即通過線圈的電流為i=I1e，式中I1=E/R1.當t=0時，有=n I2,該式表明，K開啟的瞬間通過燈泡的電流是K閉合時通過它的電流的n倍，n越大閃光越明顯.當n≥2時，即I1≥2 I2，可觀察到明顯的閃光現象.但滿足I1≥2 I2就一定閃光嗎？該式中沒有顯現L的作用，是否在上述考慮中遺漏了什么呢？

2.3 能量觀點

首先演示：在第二步演示的基礎上抽去線圈鐵芯而保存其它條件不變，開啟K時則無閃光出現.說明雖滿足I1≥2 I2，但L變得很小，也無閃光.分析如下：由自感磁能WM=L I2知，保持線圈電流不變，WM與L成正比，L越大線圈所儲磁能越大，因此在開啟K后方能給燈泡提供足夠的能量，使之更亮的一閃.抽去鐵芯，電流雖不變，但L已大大減小，使得所儲磁能太小，不足以令燈泡閃光.

2.4 EL的大小和過電壓

如圖2，K開啟后線圈中自感電動勢的大小究竟由哪些因素決定，是學生一直關心的問題.其實EL的大小可由定義式EL=-L求出，或由回路電壓方程得，該式表明，EL是t的函數，某時刻的值取決于回路的固有參數R1、R2、L和電動勢E.可見，“開啟K的動作越快E L越大”是錯誤的.K開啟的瞬時線圈兩端的電壓為,當R2>>R1時有,可見UL>>E,在K開啟的瞬間線圈兩端的電壓比外加電壓大的多，稱為過電壓.

2.5 設計練習

練習可以鞏固、應用以上討論的各個環節.如本演示實驗完成后可設計如下練習：現有40 W鎮流器（直流電阻約20 Ω）2只，小燈泡（1.5 V，0.5 A）數只，0～30 Ω變阻器1只.問：（1）如何演示更亮的一閃？用多大的電源？（2）如何演示過電壓現象？對于問題（1），根據I1≥2 I2，和能量觀點考慮，學生大都能用圖3的電路演示.電源越強越好（磁能越大），但K閉合時通過小燈泡的電流必須小于0.5 A，否則，閃光時易燒壞小燈泡，故選用8～10 V的電源.

對于問題（2），大部分學生都錯誤的用圖4的電路演示，很容易計算，若不計電源的內阻，K閉合時圖5所示電路儲的磁能是圖4的4倍，而K開啟的瞬間，由知道，圖5電路產生的過電壓是圖4電路的4倍.因此應該用圖5所示電路來演示過電壓現象.

通過以上步驟的教學，從課堂氣氛看，學生思維活躍，興致很高；從教學效果看,學生對自感電動勢和暫態電流的規律，自感磁能等加深了理解，提高了分析問題和解決問題的能力.

總之，演示實驗是物理教學本身重要的組成部分.一個成功的演示實驗可以啟迪學生的思維，激發學生的學習興趣，給學生留下深刻的印象.但成功的演示并非易事，它是教師教學創造性的體現.

〔1〕王玉蓮，郭明磊，張永鋒，等.大學物理演示實驗教學探索和實踐[J].安徽科技學院學報，2010，24 (4)：47—50.

〔2〕李凡生，余小英.自制大學物理演示實驗教具的研究與實踐[J].廣西民族師范學院學報,2011,28 (3):27-30.

〔3〕梁法庫，路峻嶺，汪榮寶.演示實驗在大學物理教學中的積極作用[J].物理與工程，2002，12(2)：28—30.

〔4〕路峻嶺.物理演示實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

G 642

A

1673-260X（2012）07-0231-02

安徽農業大學校級重點設計性實驗項目（2008）