追根溯源探因　優(yōu)化創(chuàng)新提效

俞翠華　方巨豐

［摘 要］中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展至今，仍有部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不太理想，成為公認(rèn)的疑難實(shí)驗(yàn)，需要教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中改進(jìn)和優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)本質(zhì)上屬于發(fā)明創(chuàng)新，對(duì)疑難實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，應(yīng)該關(guān)注實(shí)驗(yàn)的發(fā)展演化過程，基于實(shí)驗(yàn)溯源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，而不是隨機(jī)的靈光閃現(xiàn)。溯源，顧名思義就是追根溯源。通過檢索同行們的研究成果，知曉實(shí)驗(yàn)的發(fā)展歷史、不同實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便站在“巨人”的肩膀上，開發(fā)出更為優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)作品。這種方法是蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒創(chuàng)立的萃智理論的核心方法。 文章以“旋轉(zhuǎn)的液體實(shí)驗(yàn)”為例介紹演示實(shí)驗(yàn)的溯源與創(chuàng)新。

［關(guān)鍵詞］演示實(shí)驗(yàn)；溯源；創(chuàng)新

［中圖分類號(hào)］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）08-0042-03

一、實(shí)驗(yàn)的追根溯源

（一）從教材溯源

“旋轉(zhuǎn)的液體實(shí)驗(yàn)”可以作為人教版物理選擇性必修第二冊(cè)第一章第一節(jié)“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力”的演示實(shí)驗(yàn)。《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)本節(jié)課的要求是：通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)安培力；能判斷安培力的方向，會(huì)計(jì)算安培力的大小；了解安培力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。關(guān)于“了解安培力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用”，可以用重點(diǎn)剖析典型案例和一般性了解各種應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)方法進(jìn)行。新舊教材中都有兩個(gè)典型案例：電流天平和磁電式儀表，而“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)在新教材中未保留，如圖1。

筆者認(rèn)為，“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)承上啟下的實(shí)驗(yàn)，它既能開拓安培力的應(yīng)用領(lǐng)域，又是通向洛倫茲力的“接口”，棄之可惜。為此，要找到“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)的不足，并將其進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也要發(fā)掘與創(chuàng)新其他演示實(shí)驗(yàn)，以便更好地為教學(xué)服務(wù)。

（二）從學(xué)情溯源

中學(xué)生的思維還未完全成熟，面對(duì)比較抽象的物理知識(shí)需要用實(shí)驗(yàn)演示，才能使他們更好地理解物理知識(shí)。安培力和洛倫茲力是高中物理最為抽象的兩個(gè)力，雖然我們也用陰極射線管演示洛倫茲力，演示效果雖好，但卻遠(yuǎn)離學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，還是有些抽象，不能有效引發(fā)學(xué)生思考。為了使學(xué)生建立安培力和洛倫茲力的概念，教師需要以學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有效激發(fā)學(xué)生的思維推測(cè)，讓學(xué)生深入理解與牢固掌握物理知識(shí)。

在此，采用導(dǎo)電液體在電磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)作為建構(gòu)的背景，讓學(xué)生從身邊的可以操作的現(xiàn)象認(rèn)識(shí)安培力和洛倫茲力，取得了較好的教學(xué)效果。

二、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化創(chuàng)新思路

[1.質(zhì)疑創(chuàng)新][“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)作為演示實(shí)驗(yàn)存在哪些不足？能否改進(jìn)使其更好地研究安培力和磁場(chǎng)的大小和方向的關(guān)系？] [2.模型建構(gòu)][3.科學(xué)推理][4.科學(xué)論證][學(xué)生對(duì)安培力在流體模型中的認(rèn)知存在什么困難？建構(gòu)一個(gè)相似的實(shí)體模型，幫助學(xué)生理解。][抓住宏觀電流與微觀離子定向運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生尋找隱蔽在微觀視角下的安培力的產(chǎn)生機(jī)理。][在宏觀和微觀層面上解釋導(dǎo)電液體的安培力后，能否預(yù)測(cè)并論證：其他運(yùn)動(dòng)離子在磁場(chǎng)中也會(huì)受磁場(chǎng)力。]

三、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化創(chuàng)新與實(shí)踐

（一）質(zhì)疑創(chuàng)新，理化克難

1.實(shí)驗(yàn)不足

還原“旋轉(zhuǎn)的液體”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)圓形槽的中心豎放一個(gè)圓柱形電極，沿邊緣內(nèi)壁放一個(gè)圓環(huán)形電極，把它們分別與電池的兩極相連；倒入導(dǎo)電溶液——氯化鈉溶液，將整個(gè)裝置移入U(xiǎn)形磁體中。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以明顯看到實(shí)驗(yàn)的幾大不足：

（1）可視性較弱，U形磁體擋住了觀察視線；

（2）因?yàn)槁然c溶液的電解（2NaCl+2H2O [通電 ] 2NaOH+H2↑+Cl2↑）溶液逐漸變黃，生成有毒的氯氣，有害健康。

（3）隨著電解的進(jìn)行，溶液中的離子不斷減少，溶液旋轉(zhuǎn)也逐漸減弱，最后停止。

2.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

針對(duì)這些不足，可以從物理與化學(xué)的角度進(jìn)行改進(jìn)。

首先，如圖2所示，更換導(dǎo)電液體，用硫酸銅、硫酸鈉、硫酸鉀做實(shí)驗(yàn)比氯化鈉更合適，因?yàn)樗鼈冸娊獾膶?shí)質(zhì)是水電解，即2H2O[ 通電 ]O2↑+2H2↑，生成的是無毒的氫氣和氧氣，而且水能一直電解，讓液體一直旋轉(zhuǎn)。其中飽和硫酸銅離子濃度高，帶電量多，實(shí)驗(yàn)效果更好。

其次，更換磁體， 如圖3所示，把釹鐵硼圓柱形強(qiáng)磁鐵嵌入木板中很合適，磁場(chǎng)夠強(qiáng)，也不會(huì)產(chǎn)生遮擋。也可以把線圈繞到溶液盆的外面，并且匝數(shù)可調(diào)，這樣就可以通過改變線圈匝數(shù)來改變通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而較全面地研究安培力與磁場(chǎng)的方向和大小的關(guān)系。

最后，更換電極，如圖4所示，因?yàn)樵黾訉?dǎo)電液體和兩極的接觸面積，可以提升演示效果，所以邊緣可以用銅片環(huán)，中心可以用圓銅柱，也可以把銅絲繞成銅圈，效果也不錯(cuò)。考慮到銅在電解時(shí)容易被腐蝕，可以用石墨片和石墨棒做兩極。連接好的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖5、6所示

3.實(shí)驗(yàn)效果

通過更換導(dǎo)電溶液和磁體后，原演示實(shí)驗(yàn)的三大不足基本都得到了改進(jìn)和優(yōu)化。

通過對(duì)不同電極實(shí)驗(yàn)的比較，發(fā)現(xiàn)演示效果最好的是用銅圈做中心電極的演示實(shí)驗(yàn)。究其原因，是因?yàn)樗娊猱a(chǎn)生的氧氣和氫氣，若中心電極是銅柱或石墨棒，則氣體只能向外噴涌而出，影響了水的旋轉(zhuǎn)；而中心電極是銅圈時(shí)，氣體可以向內(nèi)、外同時(shí)噴涌，從而使向外噴出的氣體大大減少，對(duì)液體旋轉(zhuǎn)的影響也大大減少。用銅片環(huán)做邊緣電極最佳，若用石墨環(huán)做邊緣電極，雖然溶液旋轉(zhuǎn)的效果不錯(cuò)，但實(shí)驗(yàn)中大量石墨在反應(yīng)時(shí)會(huì)脫落，黑色顆粒影響了硫酸銅溶液的純度，使硫酸銅溶液不能反復(fù)利用。另外，石墨片比較脆，沒有什么強(qiáng)度，容易斷裂，也不能反復(fù)利用，所以不如用銅片環(huán)做邊緣電極效果好。

下面通過改變線圈匝數(shù)來改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可以看到：線圈匝數(shù)越多，磁場(chǎng)越強(qiáng)，導(dǎo)電液體旋轉(zhuǎn)也越強(qiáng)。

（二）建構(gòu)模型，追根溯源

“旋轉(zhuǎn)的液體”實(shí)驗(yàn)在演示過程中的不足，完全可以通過物理與化學(xué)的方法克服，而在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋上，因?yàn)槭菍?dǎo)電液體受安培力，對(duì)學(xué)生而言，理解有點(diǎn)困難。2016年4月浙江物理選考題，追溯了法拉第電動(dòng)機(jī)的原理，為我們找到了解釋的方法。

［例題］（2016年4月浙江物理選考）法拉第電動(dòng)機(jī)原理如圖7所示。條形磁鐵豎直固定在圓形水銀槽中心，N極向上。一根金屬桿斜插在水銀中，桿的上端與固定在水銀槽圓心正上方的鉸鏈相連。電源負(fù)極與金屬桿上端相連，與電源正極連接的導(dǎo)線插入水銀中。從上往下看，金屬桿（）。

A. 向左擺動(dòng)? ? ? ? ? ? ? ?B. 向右擺動(dòng)

C. 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)? ? ? ? ? ?D. 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

如圖8所示，我們用硫酸銅溶液代替水銀，用強(qiáng)磁體代替條形磁體，來模擬實(shí)驗(yàn)，正如答案D所描述的，金屬桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。金屬桿的旋轉(zhuǎn)如何幫我們解釋液體的旋轉(zhuǎn)呢？

（三）理論推理，實(shí)驗(yàn)論證

1.理論推理

（1）如圖9所示，從上往下看，電流在金屬棒的邊緣和圓心之間流動(dòng)，在中心磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中受到安培力，金屬桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）如圖10所示，在“旋轉(zhuǎn)的液體”中，一條條沿半徑方向的導(dǎo)電液體，就像是一條條的“液體棒”，電流從邊緣流向中心，“液體棒”因受安培力而轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)的金屬棒模型幫助我們建立了導(dǎo)電液體的旋轉(zhuǎn)模型。

（3）如圖11所示，液體中電流由離子定向運(yùn)動(dòng)形成，磁場(chǎng)對(duì)電流的作用，是不是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)離子的作用呢？

（4）如圖12所示，如果把導(dǎo)電液體換成是其他離子呢？比如等離子體，是否也會(huì)有力的作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)呢？

2.實(shí)驗(yàn)論證

如果我們能夠從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證圖12的猜測(cè)，那我們也就找到了安培力在微觀層面的本質(zhì)，也就找到了通向洛倫茲力的“接口”。下面我們一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

如圖13所示，左邊是裝置的正面，黑色的是環(huán)狀磁體，內(nèi)壁嵌著一個(gè)金屬彈簧，可以接到高壓電源的正極；右邊是裝置的背面，有一根銅絲，一端固定在木塊上，另一端置于環(huán)狀磁體的中心，并連接高壓電源的負(fù)極。

接通電源后，可以觀察到如圖14所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：環(huán)狀磁體中的銅絲冒出“電火花”，并發(fā)生旋轉(zhuǎn)。究其原因，是因?yàn)橹行你~絲在高壓下尖端放電，使空氣發(fā)生了電離，產(chǎn)生的等離子體受到沿半徑方向的電場(chǎng)力，從而沿半徑方向定向運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，等離子體又受到環(huán)狀磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用，正是這個(gè)力使其發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。

綜上所述，磁場(chǎng)對(duì)氣體中運(yùn)動(dòng)的等離子體的作用力、磁場(chǎng)對(duì)液體中運(yùn)動(dòng)離子的作用力、磁場(chǎng)對(duì)金屬中運(yùn)動(dòng)電荷的作用力本質(zhì)是相同的。因此，安培力宏觀上是對(duì)電流的作用，微觀上是對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用。這就是隱藏在安培力背后的微觀機(jī)理，也就是洛倫茲力的本質(zhì)。至此，一個(gè)通向洛倫茲力的“接口”已打開，由學(xué)生推導(dǎo)洛倫茲力的表達(dá)式，也就有了充分的理論依據(jù)。一個(gè)通向另類電動(dòng)機(jī)的窗口也已打開，由學(xué)生研制另類電動(dòng)機(jī)也就有了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

四、溯源創(chuàng)新的模式

實(shí)踐證明，采用以下流程（如圖15），結(jié)合研究理論，運(yùn)用溯源創(chuàng)新法，可大大加快疑難實(shí)驗(yàn)的研究進(jìn)程，提高實(shí)驗(yàn)研究實(shí)效。

五、結(jié)束語

學(xué)生在課堂上推導(dǎo)安培力在宏觀層面與微觀層面間表現(xiàn)的關(guān)系，慢慢地找尋到安培力與洛倫茲力的關(guān)系，在課外繼續(xù)從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證和探尋安培力與洛倫茲力的關(guān)系，也創(chuàng)造出了許多新的電動(dòng)機(jī)模型，這也許就是演示實(shí)驗(yàn)的巨大魅力。著名物理學(xué)家朱正元先生曾言：“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)。”一個(gè)有實(shí)驗(yàn)溯源和創(chuàng)新素養(yǎng)的教師能充分地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的魅力，淋漓盡致地發(fā)揮它的育人功能。

（責(zé)任編輯 易志毅）