利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)提升物理課堂教學(xué)質(zhì)量與效率

易瓊芳

【摘要】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將抽象的磁場(chǎng)可視化、及時(shí)化，將變量之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)化。利用實(shí)驗(yàn)室的傳感器和手機(jī)自帶傳感器功能測(cè)量地磁場(chǎng)和載流導(dǎo)體周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量安培力和導(dǎo)體電流等物理量，研究它們之間的定量關(guān)系，幫助學(xué)生客觀具體地認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)的物質(zhì)性，理解磁場(chǎng)的核心概念及磁感應(yīng)強(qiáng)度，掌握磁場(chǎng)的特性，形成正確的“場(chǎng)”觀念，提升課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】磁場(chǎng)；磁感應(yīng)強(qiáng)度；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；課堂教學(xué)

磁場(chǎng)作為客觀存在的一種較特殊的物質(zhì)，存在于載流導(dǎo)體、永久磁體、運(yùn)動(dòng)電荷或時(shí)變電場(chǎng)等周圍空間中，是以磁感應(yīng)強(qiáng)度表征的一種特殊形式的物質(zhì)。磁場(chǎng)的物質(zhì)性也體現(xiàn)了磁場(chǎng)具有能量和動(dòng)量，磁場(chǎng)對(duì)磁體和載流導(dǎo)體有力的作用，能產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象和霍爾效應(yīng)，使磁致伸縮材料發(fā)生變形，使載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻發(fā)生變化。在電磁學(xué)的建立與發(fā)展過程中，法拉第最先提出“場(chǎng)”及“磁場(chǎng)線”的概念。但如今“場(chǎng)”的概念已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了原有的范疇。“場(chǎng)”已經(jīng)是物質(zhì)的一種基本、普遍的存在形式，只有正確認(rèn)識(shí)、理解“場(chǎng)”的概念，才能完整地建立物理學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，形成正確的物理觀念。由于磁場(chǎng)難以直接觀察與理解，學(xué)生不易正確認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生對(duì)場(chǎng)的認(rèn)知需要有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)探究。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，譬如實(shí)驗(yàn)室傳感器、智能手機(jī)自帶傳感器，可以將人眼不可見的磁場(chǎng)用數(shù)據(jù)測(cè)量出來、用圖像表達(dá)出來。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的可視性、即時(shí)性及高效的數(shù)據(jù)處理特性可以讓學(xué)生更深層次地認(rèn)識(shí)、理解磁感應(yīng)強(qiáng)度概念和掌握磁場(chǎng)的物質(zhì)性，提升課堂教學(xué)質(zhì)量與效率。

一、利用智能手機(jī)內(nèi)置傳感器與phyphox軟件研究地磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向

初中物理已經(jīng)講過了磁現(xiàn)象，磁體、磁極、磁極間的相互作用，通常都是通過定性的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)了解初步的磁現(xiàn)象。高中物理課程是先學(xué)習(xí)電場(chǎng)和電路，從電與磁的聯(lián)系入手，通過對(duì)比電與磁的相似性，讓學(xué)生把電和磁聯(lián)系起來，進(jìn)行類比性知識(shí)延展。新教材的編排設(shè)計(jì)在展現(xiàn)科學(xué)家對(duì)電磁學(xué)方面的探索過程時(shí)，雖有物理思想的引導(dǎo)，但省去了過程的曲折，看似教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單了，卻對(duì)學(xué)生的理解能力提高了要求。新教材的編排設(shè)計(jì)對(duì)接受理解能力強(qiáng)的學(xué)生比較合理，但是課堂教學(xué)也要關(guān)注到部分理解能力較弱的學(xué)生，他們?cè)趯W(xué)習(xí)理論知識(shí)時(shí)，往往對(duì)新知識(shí)認(rèn)知模糊且片面。

根據(jù)新課程特點(diǎn)與學(xué)生的實(shí)際情況，可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的磁敏傳感器把磁感應(yīng)強(qiáng)度變成電流信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)讀出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向，將磁場(chǎng)的強(qiáng)弱量化、可視化，讓抽象的物理量變得具象化、物質(zhì)化，便于學(xué)生由形象思維向抽象思維發(fā)展。磁傳感器最關(guān)鍵的部分在探頭，制作探頭的元件對(duì)磁場(chǎng)很敏感。我校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室為江蘇正方體科教LAB，磁傳感器的單位是毫特斯拉。利用學(xué)校的磁傳感器測(cè)量永磁體磁極的磁場(chǎng)大小和方向、通電螺線管附近的磁場(chǎng)等強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)量效果比較好，但測(cè)量地磁場(chǎng)等弱磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)量效果很不理想。

地磁場(chǎng)屬于強(qiáng)度比較弱的磁場(chǎng)。由于學(xué)校磁傳感器靈敏度不夠，利用學(xué)校的磁傳感器探究地磁場(chǎng)時(shí)實(shí)驗(yàn)效果很不理想，但可以利用智能手機(jī)自帶傳感器與phyphox軟件來共同完成，現(xiàn)在的智能手機(jī)是一個(gè)綜合功能強(qiáng)大的便攜式電子設(shè)備，智能手機(jī)內(nèi)置力、聲、運(yùn)動(dòng)、計(jì)時(shí)器等多種傳感器，其處理器也有強(qiáng)大的計(jì)算能力，能結(jié)合現(xiàn)實(shí)及時(shí)處理數(shù)據(jù)的功能，可及時(shí)測(cè)量大量物理量。phyphox軟件利用手機(jī)傳感器，能即時(shí)顯示有關(guān)物理數(shù)據(jù)，同時(shí)建立坐標(biāo)系，直觀展示、對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，配合投屏軟件，可以實(shí)時(shí)將手機(jī)屏幕顯示在多媒體電腦及屏幕上，實(shí)時(shí)展示實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)。其實(shí)，智能手機(jī)與phyphox軟件就是一個(gè)小型且操作簡(jiǎn)單的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。智能手機(jī)內(nèi)置磁傳感器的單位是微特斯拉，比學(xué)校傳統(tǒng)磁傳感器的靈敏度高1000倍。使用phyphox軟件利用手機(jī)內(nèi)置磁傳感器探究地磁場(chǎng)的大小和方向，方法如下：

實(shí)驗(yàn)1：將手機(jī)放在水平桌面上，對(duì)應(yīng)不同的方位。測(cè)量結(jié)果：不同方位的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同，手機(jī)南北放置時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度比東西方向放置時(shí)強(qiáng)度大。

實(shí)驗(yàn)2：把手機(jī)豎直固定在手機(jī)架上，在豎直方向上旋轉(zhuǎn)2周。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：磁感應(yīng)強(qiáng)度呈周期性變化；地磁場(chǎng)在某一特定的方向上具有最大值。改變手機(jī)的豎直平面再轉(zhuǎn)動(dòng)，可以測(cè)量各個(gè)方向的地磁場(chǎng)。利用手機(jī)內(nèi)置傳感器與phyphox軟件測(cè)量微弱磁場(chǎng)的強(qiáng)度，測(cè)量各個(gè)方向上的地磁場(chǎng)的強(qiáng)弱及存在極值的地磁場(chǎng)方位，讓無法肉眼看見的物理量具體化、直觀化。它的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)易，占用時(shí)間少，可視化效果好，數(shù)據(jù)即時(shí)性強(qiáng)，能隨物體運(yùn)動(dòng)變化即時(shí)展現(xiàn)。

二、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室探究“通電直導(dǎo)線”的磁場(chǎng)分布特征

奧斯特實(shí)驗(yàn)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，這是電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的一個(gè)重要驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)室里電源提供的電流不大于2A，通電直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)較小，小磁針的偏轉(zhuǎn)角度非常小，實(shí)驗(yàn)效果不明顯，并且外界微小的擾動(dòng)都能影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材在教室里做此實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)干擾因素多，成功率不高，且不方便教室后排和側(cè)邊的同學(xué)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課堂實(shí)驗(yàn)效果不夠理想。

為了提高實(shí)驗(yàn)效果，可以利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)3。裝置：先將磁傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦連接成一個(gè)電路，再將一根粗銅絲、滑線變阻器、電流傳感器、學(xué)生電源（額定電流2安培）串聯(lián)起來構(gòu)成另一個(gè)閉合回路。磁傳感器放在水平的架子上，磁傳感器探頭與粗銅絲垂直，調(diào)零消除地磁場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)過程：接通學(xué)生電源，在電腦里就顯示出粗銅絲周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度。保持粗銅絲電流強(qiáng)度不變，改變磁傳感器與粗銅絲之間的距離，觀察電腦屏幕的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的變化；保持粗銅絲與磁傳感器之間的距離不變，調(diào)節(jié)滑線變阻器，觀察電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化關(guān)系。這個(gè)實(shí)驗(yàn)也可以利用phyphox軟件來做，同樣有很好的效果。因數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，“探究通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)”實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單易行，直觀可視，并且從定性觀察層面上升到定量分析層面。概念是抽象的，數(shù)據(jù)是具象的，從具象到抽象，再由抽象到形象，有效訓(xùn)練學(xué)生想象力和思維力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，提升教學(xué)效果。

三、利用數(shù)字化磁傳感器探究“通電螺線管”內(nèi)部的磁場(chǎng)分布特征

探究“通電螺線管”內(nèi)部的磁場(chǎng)是驗(yàn)證電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的另一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。通電螺旋管內(nèi)部的磁場(chǎng)大小和方向也是學(xué)生認(rèn)知的一個(gè)難點(diǎn)，以前無法用實(shí)驗(yàn)證明內(nèi)部磁場(chǎng)，只是通過畫磁感線讓學(xué)生明白通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)的大小和方向，純理論又抽象的知識(shí)導(dǎo)致學(xué)生難以理解和接受，更難以記憶，利用該知識(shí)解決實(shí)際問題時(shí)更是錯(cuò)誤百出。現(xiàn)利用磁傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以捕捉通電螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)分布，并且裝置、器材的準(zhǔn)備都較為簡(jiǎn)單方便，如實(shí)驗(yàn)4：先將學(xué)生電源、電流傳感器、螺旋管、滑動(dòng)變阻器串聯(lián)起來構(gòu)成閉合電路。磁傳感器探頭放在螺旋管的一端，探頭逐漸深入，同時(shí)記錄在螺旋管內(nèi)部不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖1 正向螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)分布圖

圖2 反向螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)分布圖

該實(shí)驗(yàn)可以清楚明了地觀察到螺旋管內(nèi)部磁場(chǎng)的分布，圖1、圖2均是螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng)分布圖。圖1從螺線管一端的管口開始測(cè)量，將刻度尺和磁傳感器固定，讓螺旋管朝磁傳感器移動(dòng)，每前進(jìn)一厘米記錄該位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，得到“位移－磁感強(qiáng)度”圖像，圖2是從螺旋管另一端開始測(cè)量，所以都是負(fù)值。圖像清晰地展示了螺旋管內(nèi)部磁場(chǎng)大小的分布，通電螺線管中間區(qū)域磁場(chǎng)最強(qiáng)，向兩端逐漸減弱，具有對(duì)稱性。實(shí)驗(yàn)過程中還可以改變電流的大小觀察螺旋管同一位置的磁場(chǎng)大小，得出電流越大，螺旋管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，既可以做演示實(shí)驗(yàn)，也可以作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，以此鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，提升其形象與抽象思維能力。

四、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)量安培力的大小及磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義研究

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室建立起來之前，多數(shù)實(shí)驗(yàn)只是驗(yàn)證安培力的存在，或者是驗(yàn)證電流越大安培力越大，以及安培力的大小跟電流成正比函數(shù)關(guān)系。雖然可以利用電流天平間接測(cè)量安培力的大小，但是該實(shí)驗(yàn)過程繁瑣，還受到電流天平的可靠性的限制，所以在課堂教學(xué)中很少使用電流天平完成該實(shí)驗(yàn)。

為了能夠驗(yàn)證安培力的存在，并測(cè)量出安培力的大小，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)5：實(shí)驗(yàn)裝置將學(xué)生電源、電流傳感器、線圈、滑動(dòng)變阻器串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)閉合回路，線圈掛在微力傳感器下面，線圈底邊水平，放入U(xiǎn)形磁鐵中間，并與U形磁鐵上邊平行。再在電腦上把電流值和力值歸零，消除線圈重力對(duì)數(shù)據(jù)的影響。實(shí)驗(yàn)過程中采集微力傳感器和電流傳感器數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)接通學(xué)生電源，觀察電流和力的數(shù)值并記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置采用“記點(diǎn)”方式記錄數(shù)據(jù)，改變滑動(dòng)變阻器阻值，記錄對(duì)應(yīng)的電流和力的數(shù)據(jù)。以“電流強(qiáng)度”為橫軸，“力”為縱軸，觀察得出所記錄點(diǎn)的發(fā)展趨勢(shì)為一條過原點(diǎn)的直線。以正比函數(shù)擬合（如圖3）。

通過力傳感器和電流傳感器組合使用，可以很方便地測(cè)量安培力的大小和方向，可即時(shí)讀出不同電流強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的安培力大小。該實(shí)驗(yàn)可以得出在磁場(chǎng)不變，導(dǎo)線不變的條件下安培力與電流強(qiáng)度成正比。該實(shí)驗(yàn)還可以在同一磁場(chǎng)中放置不同的線圈，驗(yàn)證F與IL的關(guān)系，由此理解比值定義法，理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的含義是描述磁場(chǎng)對(duì)外界作用力的性質(zhì)，闡述了磁場(chǎng)的物質(zhì)性。此實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了比值定義法的科學(xué)性。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)要關(guān)閉電風(fēng)扇或避免其他微小擾動(dòng)，確保該實(shí)驗(yàn)的精確度。

本實(shí)驗(yàn)通過探究安培力的大小與電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)弱的函數(shù)關(guān)系，對(duì)定義磁感應(yīng)強(qiáng)度教學(xué)起到了可視化、數(shù)據(jù)化作用。通過探究物理量之間的關(guān)系培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力，讓課堂教學(xué)具有直觀性和高效性。

磁感應(yīng)強(qiáng)度是研究磁場(chǎng)的第一個(gè)核心概念，以上幾個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱峁┐罅繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證磁場(chǎng)的物質(zhì)性，讓學(xué)生深入認(rèn)識(shí)和理解磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)的物理含義?；跀?shù)字化實(shí)驗(yàn)探究物理基本概念、基本規(guī)律以及知識(shí)間的相互聯(lián)系，這對(duì)于學(xué)生將來更深入系統(tǒng)地學(xué)習(xí)電磁學(xué)是一種認(rèn)知與思維能力上的準(zhǔn)備，為學(xué)生提供了研究問題的方法和手段。新的技術(shù)和平臺(tái)、新的研究方法和手段提高了物理課堂教學(xué)科學(xué)性和高效性，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維品質(zhì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修正）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]惠潤(rùn).利用DISLab完善高中電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)體系的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009.