創(chuàng)新和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器 優(yōu)化物理教學(xué)
——用旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力實(shí)驗(yàn)

顧海濤

(安徽省潁上第二中學(xué) 安徽 阜陽(yáng) 236200)

1 制作的意圖

安培力的大小和方向是物理學(xué)中一個(gè)很重要的知識(shí)點(diǎn).隨著高考的改革,結(jié)合生活、生產(chǎn)實(shí)際,考查學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力越來(lái)越突出.而以往的實(shí)驗(yàn)儀器，很難展示出安培力產(chǎn)生過(guò)程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象，無(wú)法讓學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，因此筆者研究了旋轉(zhuǎn)的液體探究安培力實(shí)驗(yàn)，用來(lái)引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)中進(jìn)行思考，進(jìn)行探究，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的過(guò)程中提升能力.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)制作器材

漆包線大概450匝，少許氫硫酸和水，直徑約為10 cm的透明玻璃水槽，電阻值約20 Ω的變阻器一個(gè)，金屬螺絲一枚，鋁質(zhì)易拉罐一個(gè)(剪制成一個(gè)高約3 cm,直徑約為10 cm的圓周電極)，外繞白鐵皮一塊，教學(xué)電源兩個(gè).

教材裝置與改進(jìn)后的裝置對(duì)比圖如圖1所示.

圖1

2.2 裝置特點(diǎn)及用途

(1)特點(diǎn)

a．把擋住視線的蹄形磁鐵(產(chǎn)生磁場(chǎng))改為繞在玻璃槽上的通電螺線管(內(nèi)為勻強(qiáng)磁場(chǎng))，且盛液體的容器為透明玻璃槽，使得實(shí)驗(yàn)可以在實(shí)物投影儀上做，這樣就大大提高了實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度.

b．通過(guò)增減通電螺線管的線圈的電壓，改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小；改變通電螺線管的電流方向，就可以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向.

c．通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的觸頭，有效地改變電解液中的電流(受安培力的電流)大小；交換電解池中兩電極與電路的接線也就改變了磁場(chǎng)中電流的方向.

d．把導(dǎo)電液氯化鈉溶液改為氫硫酸溶液，電解反應(yīng)也由氯化鈉水溶液電解變?yōu)樗娊猓浑娊猱a(chǎn)物由有劇毒的氯氣、強(qiáng)堿氫氧化鈉、氫氣變?yōu)榘踩珶o(wú)毒的氫氣和氧氣.

(2)用途

a．可以驗(yàn)證左手定則.

b．可以探究安培力方向的決定因素及安培力的方向和導(dǎo)線方向(電流方向)、磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的關(guān)系.

c．可以探究通電導(dǎo)線與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直，且導(dǎo)線長(zhǎng)度不變時(shí)，安培力的大小與電流大小的定性關(guān)系.

2.3 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)1:驗(yàn)證左手定則

(1)用一次性杯將一杯多點(diǎn)的水倒入玻璃槽中，再將適量氫硫酸溶解在水中.

(2)連接好螺線管電路.

(3)將石墨電極放入玻璃槽中心，鋁質(zhì)圓周形電極沿玻璃槽內(nèi)壁插入到底.連接好電解槽電路,

(4)調(diào)節(jié)螺線管電路,螺線管接入電路電源電壓調(diào)為20 V，調(diào)節(jié)變阻器，使電路中電流最大且電源不過(guò)載.

(5)調(diào)節(jié)電解槽電路,電源電壓為8 V，接通電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變電路中的電流，可以觀察到兩極上有氣泡產(chǎn)生，分別為氫氣和氧氣.

(6)在電解液中放入一些顆粒，即可以看到顆粒在液體中旋轉(zhuǎn).可知液體在旋轉(zhuǎn).

圖2

本實(shí)驗(yàn)中,安培力的方向是液體旋轉(zhuǎn)的方向，沿水平方向，如圖2所示.磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向由螺線管決定，沿垂直方向.電流方向由電解槽的正極指向負(fù)極，沿水平方向.

實(shí)驗(yàn)2:探究安培力方向的決定因素及左手定則

探究1:電流在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，安培力與磁場(chǎng)方向的關(guān)系怎樣？

(1)前面6個(gè)步驟與實(shí)驗(yàn)1相同.

(2)保持磁場(chǎng)的電流方向不變，改變磁場(chǎng)方向即改變線圈中的電流方向，觀察液體旋轉(zhuǎn)方向是否發(fā)生改變即安培力方向是否變化.若變化，則磁場(chǎng)方向是安培力方向的決定因素.

探究2：電流在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，安培力與磁場(chǎng)方向的關(guān)系怎樣？

(3)保持磁場(chǎng)方向不變，改變磁場(chǎng)中的電流方向即保持線圈中的電流方向不變，改變電解液中的電流方向.觀察液體旋轉(zhuǎn)方向是否發(fā)生改變即安培力的方向是否變化.若變化，則電流方向是安培力方向的決定因素.

(4)同時(shí)改變電流方向和磁場(chǎng)方向，再次觀察安培力的方向是否改變，由以上實(shí)驗(yàn)可以知道決定安培力方向的因素是磁場(chǎng)方向和電流方向.

探究3:安培力方向、磁場(chǎng)方向、電流方向三者的關(guān)系怎樣呢？

(5)重做步驟(2)、(3)、(4)，注意觀察安培力方向、磁場(chǎng)方向、電流方向關(guān)系，歸納總結(jié)可以得出左手定則.

實(shí)驗(yàn)3：定性探究在導(dǎo)線(電流)與磁場(chǎng)垂直且導(dǎo)線長(zhǎng)度一定時(shí)，安培力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小、電流的大小之間的關(guān)系

(1)前面6個(gè)步驟與實(shí)驗(yàn)1相同.

(2)只改變螺線管回路中接入電路的線圈的電壓從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，觀察液體旋轉(zhuǎn)快慢，可以知道安培力的大小是否改變，從而知道安培力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大.

(3)只改變電解槽電路中滑動(dòng)變阻器觸頭位置從而改變磁場(chǎng)中電流的大小，觀察液體旋轉(zhuǎn)的快慢，可以知道安培力隨電流的減小而減小.

3 本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處

3.1 針對(duì)課本已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn) 使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)潔

繁瑣的實(shí)驗(yàn)比簡(jiǎn)單的概念更讓人迷惑.因此，實(shí)驗(yàn)裝置要簡(jiǎn)潔，實(shí)驗(yàn)操作要簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)原理要簡(jiǎn)明.我們應(yīng)針對(duì)課本中某些繁瑣的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使實(shí)驗(yàn)更簡(jiǎn)潔，只有“簡(jiǎn)”的實(shí)驗(yàn)才能突出重點(diǎn)，才有利于集中學(xué)生的注意力，有利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更有利于學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)裝置的原理和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.

3.2 將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn) 加深學(xué)生的印象

由演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生由單純的觀察學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為親自動(dòng)手實(shí)踐探索，不僅能幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，成功地得出結(jié)論，而且能使學(xué)生更深刻地理解物理概念、掌握物理規(guī)律等.

3.3 自制實(shí)驗(yàn)裝置 加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理概念的理解

物理中的概念、規(guī)律、法則、定律等往往枯燥無(wú)味，其本身并不具有吸引學(xué)生注意力的屬性，學(xué)生往往毫無(wú)興趣，但對(duì)奇異的物理現(xiàn)象卻表現(xiàn)出強(qiáng)烈的好奇心.因此一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)?zāi)苷T發(fā)學(xué)生積極思考，從而激勵(lì)學(xué)生參與解決問(wèn)題的熱情，這樣不但使學(xué)生掌握了有關(guān)物理知識(shí)，更增加了學(xué)生從實(shí)驗(yàn)探究中獲取知識(shí)的意識(shí)和能力.

總之，新課改理念下的物理實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)服從于教學(xué)，要讓學(xué)生在使用儀器做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中體驗(yàn)到科學(xué)探究過(guò)程，領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究方法，在掌握知識(shí)與技能的過(guò)程中受到情感態(tài)度與價(jià)值觀的熏陶.