高中物理實驗教學創新探討*
——以“探究感應電動勢的大小”教學為例

(1. 江蘇省無錫市立人高級中學,江蘇　無錫　214000;2. 江蘇省無錫市教育科學研究院,江蘇　無錫　214000)

1　引言

筆者參加了2017年無錫市高中物理優質課比賽,上課的內容是人教版選修3-2第四章第四節“法拉第電磁感應定律”,授課對象是高二學生,由于法拉第電磁感應定律比較抽象,思維能力不強的學生難以接受,筆者通過層層推進的實驗設計來化解教學重難點,讓學生重演物理知識的發生過程,結合科學猜想和實驗探究，讓學生認知法拉第電磁感應規律的建立過程,在教學過程中注重提升學生的物理核心素養。

2　問題與探究

2.1　體驗新知

學生既然已經知道了電磁感應中產生感應電流的原因是因為感應電動勢,那么感應電動勢和哪些因素有關?

為此筆者設計了“比一比”實驗，裝置如圖1所示,學生通過插拔磁鐵,比一比誰能讓電流計產生最大的指針偏轉。通過分組實驗討論,兩位同學代表參與對比演示。用兩條磁鐵快速插入匝數多的線圈時，明顯發現指針偏轉較大。

圖1

本實驗通過比賽激發學生興趣和疑問,怎么樣才能使得自己的靈敏電流計指針偏轉最大?兩條磁鐵如何放置?是同向還是異向放置?線圈選取匝數多的還是少的?插入速度是快還是慢?通過對比，讓學生從觀察操作上升到理性思考,注重學生提出的物理量和n、Δt、ΔΦ三個量之間的轉化銜接,學生的設想不一定一步到位,最終在教師引導下總結出感應電動勢與n、Δt、ΔΦ有關。本環節以師生互動的方式，培養學生的觀察能力和語言表達能力,同時鑒于學生已有認知的不足,需要加強指導,培養深入分析、歸納能力，為進一步探究感應電動勢與這些因素的定性關系奠定了基礎。

2.2　定性探究

“比一比”實驗得出了感應電動勢與n、Δt、ΔΦ有關，那么感應電動勢與n、Δt、ΔΦ有什么樣的定性關系?學生自己產生疑問，并且帶著問題進一步去思索。探究一個量與幾個量之間的關系,當然采用控制變量法,仍然用“比一比”的實驗裝置,進行分組探究：(1)保持n、ΔΦ不變,探究E與Δt的關系;(2)保持n、Δt不變，探究E與ΔΦ的關系;(3)保持Δt、ΔΦ不變,探究E與n的關系。

通過分組探究,我們發現：(1) 保持磁鐵的個數不變,插入的初末位置固定,改變插入速度，可得時間越長,感應電動勢越小；(2) 保持線圈匝數和插入速度不變,增加條形磁鐵的個數,固定插入的初末位置，可得磁通量的變化越大,感應電動勢越大；(3) 保持插入速度和條形磁鐵個數以及插入初末位置一定,增加線圈匝數，發現匝數越多,感應電動勢越大。

本環節進一步讓學生定性探究感應電動勢與n、Δt、ΔΦ的關系,滲透了控制變量的思想。至于感應電動勢與匝數的關系,學生可以通過邏輯推理實現。單匝線圈相當于一節電池,多匝線圈相當于多節電池串聯,所以E∝n，這里體現了科學思維的魅力。對于感應電動勢與Δt、ΔΦ的關系，學生可以定性猜想E∝1/Δt、E∝ΔΦ等諸多情況。

本環節培養學生有問題時，通過實驗探究解決問題的意識,明確物理是一門以實驗為基礎的學科的真實含義,使學生樂于探索,勇于探究,同時也讓學生在探究過程中體驗挫折。學生很難得到感應電動勢和這些量的定量關系，只能定性猜測,為了探究過程的完整性和實驗的說服力,迫切需要新的實驗來驗證,探究感應電動勢的定量實驗也就應運而生了。

2.3　定量探究

為了減小實驗誤差、提高精度，筆者選擇了基于Arduino和Flash的DisLab實驗。強磁鐵插入線圈，從而磁通量改變，產生的感應電動勢由數據采集設備轉化為數字信號，由計算機顯示出來。該裝置可記錄通過光電門的時間Δt和記錄通過光電門過程中線圈兩個位置的ΔΦ(如圖2、3)。

圖2

圖3

同樣我們采用控制變量法，定量探究感應電動勢與Δt、ΔΦ的關系。

定量探究一(E與Δt的關系):使用同一根條形磁鐵保持ΔΦ相同,改變斜面坡度使小車從同一位置下滑,使通過光電門的時間不同,記錄多組E與Δt數據(如圖4、5、表1)。

圖4

圖5

表1

使用Excel對計算機所讀時間Δt進行倒數處理,作出E與1/Δt圖像,發現圖像大致通過原點,可得E∝1/Δt(如圖6)。

圖6

定量探究二(E與ΔΦ的關系):保持小車從同一高度下滑使Δt相同,使用電磁鐵、增加電流倍數n，使ΔΦ成倍增加,記錄磁場倍數和E的數據(如圖7、8、表2)。

圖7

圖8

表2

使用Excel作出n-E圖像,發現圖像大致通過原點,可得E∝ΔΦ(如圖9)。

圖9

實驗發現:當n不變時,E∝ΔΦ、E∝1/Δt，最終得出E∝nΔΦ/Δt,即電路中感應電動勢的大小,跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。

本環節由老師和幾個同學共同配合完成實驗的操作和數據的采集，在實驗中培養學生觀察和發現、提出問題的能力。鼓勵學生從物理現象和實驗中分析、處理數據，歸納出科學規律，樂于探索生活中的物理學原理。

成串的三個實驗層層遞進，通過“比一比”實驗為探究感應電動勢大小預熱；“定性”實驗逐步提升學生科學探究能力,體會物理規律發現的曲折性,為獲得更高的成就感蓄力；“定量”實驗以信息技術為輔助,以鍛煉學生思維為中心,學生在探究過程中思維升華。最后通過誤差分析、實驗反思，在思索中增強思維批判性。

3　反思

3.1　實驗裝置選擇

關于法拉第電磁感應定律實驗,課標中沒有提出要求,筆者參考了眾多資料，選擇了定量實驗方法。原先筆者設計了兩個實驗方案:(1) 讓磁鐵做自由落體運動通過線圈，進行定量測量；(2) 基于Arduino和Flash的DisLab實驗。考慮到實驗的精確性,選擇了誤差較小、便于操作的第二種實驗方案。用Arduino自制傳感器和Flash動畫來開發DisLab,既擺脫了Flash課件只能模擬的缺點,又使DisLab有了更友好的顯示界面。本裝置突破教材的現有局限,具有準確的實驗結果,實驗從條件達成角度不復雜，具有較高的實用性、準確性、可行性、定量性。

3.2　實驗注意事項

為了實驗具有可重復性,獲得良好的效果，在實驗過程中需注意。

(1) 線圈的選擇要適當,盡量選取開口小的,以便獲得更明顯的磁通量變化量。

(2) 磁鐵選擇磁性強的。

(3) 光電門離線圈的距離選擇適當,以撞擊線圈防護海綿反彈后，不再進入光電門范圍為佳。

(4) 關于硬件精度,Arduino端的主要代碼程序大約每100微秒運行一遍,光電門由于每次擋光時間大概有幾十毫秒,所以擋光時間間隔的誤差大概有0.5%左右。

3.3　實驗評價

(1) 從教師的角度出發,開闊了視野,使教學的手段、方法更豐富。

(2) 從學生的角度出發,從定性實驗到定量實驗,對學生思維的培養具有較大的作用。

(3) 如果能改進成為學生實驗，其實驗價值更高。

(4) Arduino是一款價格便宜、方便上手的開源硬件產品。與傳統傳感器實驗相比,拓展性能非常高,能整合各種各樣的傳感器,減少了實驗裝置的復雜性,便于攜帶。并且它具有簡便的編程環境,沒有復雜的單片機底層代碼,在中學階段開發設計實驗創新的空間廣闊。