情境創設生活化
——以“交變電流”的教學為例

陳 妍

(江蘇省沙溪高級中學 江蘇 蘇州 215400)

物理教材中的知識本身比較抽象，難以理解，而生活中的很多現象與物理知識又密不可分，是一種可觸及的教學資源.若在恰當情境下，將物理與生活相融合，幫助學生對抽象的物理知識進行深入的理解和學習，不僅能強化學生的學科素養，還能提高學生的學習積極性.生活化的情境創設充分體現了物理學科的應用性與實踐性.

交變電流是高中物理電磁場部分的重點內容之一，新課標要求高中學生能夠通過實驗認識交變電流，并能用公式與圖像描述正弦式交流電.因此，創設恰當的物理情境，通過實驗分析交變電流的產生過程，認識交變電流的特點及規律很有必要.

正弦式交變電流的產生是基于電磁感應的基本規律，本節是前一章的延續和發展，是電磁感應理論的具體應用，有著承上啟下的作用.為了更好地幫助學生在已有知識架構的基礎上學習新知，本文對由手工轉動線圈切割地磁場產生的交變電流進行分析，能夠更好地激起學生參與學習的熱情.

1 創設生活化小實驗 激發學習興趣

教師展示手搖發電機及一個馬蹄形磁鐵，請學生演示實驗使小電珠發光(圖1).在學生演示的過程中，分析小電珠發光的原因，即線圈在切割馬蹄形磁鐵的磁場.由于轉動的線圈切割磁場，而在線圈中發生電磁感應現象，產生了感應電動勢.將小電珠與該線圈連接成閉合回路，回路中便形成了感應電流，電流流過小電珠，小電珠發光.

學生再次演示小電珠發光實驗，大家經過觀察不難發現小電珠“一閃一閃”.分析可知，通過小電珠的電流在變化！至于電流為何變化、怎么變化便是這節課所要研究的問題.

圖1 演示小電珠發光實驗

設計意圖：課堂導入是課堂教學中的第一個環節，也是非常重要的一個環節.以手搖發電機導入新課，形象、直觀，易于被學生接受，由此激發學生的學習興趣.創設生活化的小實驗，培養學生動手能力的同時，也使我們的教學內容更真實、親切，更能體現從生活走向物理的理念.在選修3-2第四章電磁感應的基礎上，進一步解決新情境下的問題.

2 巧借“地磁”情境 引發定性思考

為了使真相讓學生可觸及，教師展示線框ABCD，如圖2所示.該線框由導線繞成，共10匝，矩形線框長70 cm，寬30 cm.請學生利用所學知識，結合現有空間，使該線框產生電流.

圖2 導線繞成的線框

學生結合手搖發電機，通過討論不難得出要想產生電流，線框得切割磁場，而現有的空間存在地磁場.

地磁場即地球周圍空間分布的磁場.主要由地電流形成，近似于一個位于地球中心的磁偶極子的磁場.其中一極位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近，如圖3所示.地表各處磁感應強度與方向都因地而異.地磁強度由赤道向兩極呈現由低到高的態勢，即低緯度地區磁感應強度低，高緯度地區磁感應強度高.其磁感線分布特點是赤道附近磁場的方向是水平的，兩極附近則與地表垂直，地球表面的磁場會因各種因素影響而發生變化，但變化是很小的.通常，地磁場強度數量級為10-5T.基于對地磁場的簡單認知，我們不妨請學生具體演示如何使線框中產生電流.

圖3 地磁場

在理論分析的基礎上，兩位學生合作轉動線框切割地磁場，并通過微電流傳感器及數字化信息系統將感應電流隨時間變化的圖像呈現給學生.

實驗所得線圈切割地磁場產生的電流隨時間的變化圖像如圖4所示，圖像并未呈現完美的周期性變化，但教師恰可以利用這一點請學生分析圖像不完美的原因.比如，線圈非勻速轉動，地磁場非勻強磁場等.由此可找出影響交變電流大小的因素.

當然，為了得到周期性變化的電流，實驗過程中有幾點需要注意：

首先，繞制的矩形線框要盡量規則；其次，線框繞好后引出的兩根導線要短些；再者，線框盡量保持勻角速度轉動；最后，每一次進行實驗，線框轉動次數不宜過多，否則線框導線與微電流傳感器的導線纏繞也會影響結果.于是，我們可以得到電流隨時間變化的圖像.

圖4 實驗所得電流隨時間變化的圖像

設計意圖：通過理論與實踐，我們將學生的思想結晶成圖像直觀地呈現出來，學生的喜悅是不言而喻的.盡管圖像不完美，但能夠達到定性研究、啟發思考、探索新知的目的.以地磁場作為實驗磁場更好地拉近了學科與學生之間的距離，鼓勵學生積極主動的學習，從而將知識融入生活中.生活化的情境創設對學生科學素養的形成有很大幫助，充分體現了新課程標準中以學生為主體的教學理念.

3 物理情境模型化 引導定量探究

為了定量探究電流的變化情況，我們可以建立線框在勻強磁場中勻速轉動的物理模型，并針對線框轉動一圈過程中的幾個特殊位置進行分析.同時，注意運用楞次定律、法拉第電磁感應定律等基本原理解決新情境下的問題.

我們可以畫出線框轉動一圈的過程中4個特殊位置的平面圖，如圖5所示.

圖5 線框在勻強磁場中勻速轉動的物理模型

在平面圖中用法拉第電磁感應定律推導交變電流的變化規律.這里，矩形線框以CD邊為軸轉動.假設矩形線框ABCD邊長分別為LAB和LAD，勻強磁場的磁感應強度為B，線框以角速度ω勻速轉動.具體可設置如下問題鏈：

(1)矩形線框轉動過程中，哪條邊會產生感應電動勢，相當于電源？

(2)在線框由甲轉到乙的過程中，AB邊中電流方向如何？在線框由丙轉到丁的過程中，AB邊中電流方向又如何？

(3)當線框轉到什么位置時線框中沒有電流？轉到什么位置時線框中的電流最大？

對于更一般的位置，如圖6所示.若線框從中性面開始勻速轉動，則在此后的任意時刻t，我們取AB邊的有效切割速度，由法拉第電磁感應定律，不難得到線框中感應電動勢的大小e=NBSωsinωt.

圖6 線框平面與豎直方向夾角為θ時的情境圖

當然，考慮到線框單邊旋轉過程中由于重心偏向一邊所帶來的較為嚴重的軸磨損，在實際應用中，線框通常繞中心軸線旋轉，兩者產生的感應電動勢相同.

若改變線框形狀，在線框匝數與面積不變時，從中性面開始計時，由Φ=BScosωt,可知

設計意圖：由感性認識到理性分析，由定性到定量，逐步深入探究交變電流的特點.探求新知的過程，既要呵護學生的好奇心，又要激發學生的求知欲，使學生在同伴互助中自主探究，積極思考.對于本節課的核心內容，設計線框轉動時，僅單邊切割地磁場，有利于學生的理解和掌握，也有利于培養學生解決復雜問題的能力.恰當的物理情境，加上前期的鋪墊，不至于使學生覺得突兀.用問題鏈的方式引導學生分析線框轉動一周的過程中電動勢和電流的變化，這樣設計梯度合理，層層遞進，引起沖突，又能緊扣學生內心.

4 課后探究生活化 培養應用能力

搖繩能發電嗎？怎樣設計跳繩會產生較大的電流？請小組合作設計一根能發電的跳繩.

大家很容易想到用導線來制作跳繩，如圖7(a)所示，但是，單股導線產生的電流微弱，不易觀察.實驗中，我們可以選用網線來制作跳繩，如圖7(b)所示，網線中自帶八股細導線.為了使實驗現象明顯，這些導線在連接方式上也很有講究，可以請學生們提出一些制作方案.

圖7 演示搖繩發電

在制作跳繩時，可以將8股導線首尾相連，即導線1頭接導線2尾，2頭接3尾……，7頭接8尾，最后將導線8頭與導線1尾連接到靈敏電流計上，如圖7所示.這樣，產生的感應電流是單股導線的8倍.讓該跳繩以約ω=2π rad/s的角速度擺動，在空中形成一個半徑為5 m的半圓，取地磁場B=1.0×10-5T，估算可得Em=NBSω=0.02 V.考慮導線的電阻，可以估算產生的感應電流值，將該理論值與實驗值進行對比，你發現了什么？

設計意圖：物理課堂不僅是傳授知識的殿堂，更要讓學生感受物理的趣味，體驗物理的魅力.物理源于生活，又服務于生活.我們只有將所學的物理知識應用到生活中去，才能真正認識到物理學的價值.設計一根能發電的跳繩作為課后的研究性學習，培養學生永不滿足、追求卓越的精神，同時，在提出問題和解決問題的過程中學習科學研究方法、獲得豐富體驗，有利于學生素質的全面提高.

陶行知說“生活即教育”.綠色物理課堂離不開生活，以生活為素材創設恰當的物理情境，能夠很好地調動學生參與課堂的積極性，起到喚醒學生思維、誘發自主探究的效果，這對于培養學生的探究意識及應用能力都非常重要.