研究物理實驗 培養科學思維*
——以“電磁阻尼 電磁驅動”為例

楊正宇

(成都市石室中學 四川 成都 610052)

王良翼

(成都市樹德中學 四川 成都 610031)

佐 睿

(成都市錦江區嘉祥外國語高級中學 四川 成都 610011)

張 燕 陳澤勇

(成都市石室中學 四川 成都 610052)

根據教育部2020年頒布的《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》,物理學科核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面.其中,“科學思維”是指從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判,進行檢驗和修正,進而提出創造性見解的能力與品格[1].高中物理課程目標是培養學生核心素養,而科學思維是培養核心素養當中重要的、本質的方面.培根曾言“知識就是力量”,筆者認為應該修改為“思維就是力量”.學生是以對知識的學習為載體,最終是為了達到培養和提升科學思維的目的.學生只有具備了良好的科學思維,才能解決遇到的各種問題,才能創造新的理論,推動人類的進步和發展.

物理學是研究物質運動普遍規律和物質結構的科學.物理學的發展以及物理學自身的研究特點決定了它是一門以實驗科學為基礎的學科,即強調觀察,強調研究事物本質和規律的實踐活動[2].物理實驗可以純化、簡化或強化和再現物理學研究對象,延緩和加速自然過程,為理論的概括準備充分、可靠的客觀依據[2].中學物理實驗是物理教學中極為重要的一部分,只有利用科學思維方法充分研究物理實驗,才有利于中學生深入理解物理概念和規律,才有利于培養學生良好的科學思維.

本文以筆者一節公開課“電磁阻尼 電磁驅動”為例,通過研究兩個演示實驗和磁懸浮列車啟動和剎車的實際問題,引導學生用所學知識研究實驗現象和解決實際問題,從模型建構、分析綜合兩方面談談如何培養學生科學思維.

1 學情分析

在學習電磁阻尼和電磁驅動內容之前,學生已經學習了電磁感應現象、法拉第電磁感應定律和楞次定律,能從力學角度和能量角度分析電磁感應問題.電磁阻尼和電磁驅動是電磁感應知識應用于生活生產實際的體現,需要學生利用學過的知識研究實驗現象和解決實際問題.學生第一個難點在于如何將實際問題抽象成熟悉的理想模型,如何抓住主要因素,忽略次要因素;第二個難點在于模型建立后學生能否自覺地從多角度深入研究實驗現象,強化對物理概念和規律的理解,綜合建立知識之間的聯系,形成方法的框架,從而達到真正訓練科學思維的目的.

2 課例環節介紹

2.1 環節一——觀察演示實驗并解釋實驗現象

演示實驗一：如圖1所示,將同一小磁鐵先后從高度相同的開縫鋁管和無縫鋁管上端靜止釋放.實驗現象是小磁鐵在無縫鋁管里下落時間明顯長于在開縫鋁管里的下落時間.請利用所學過的知識解釋實驗現象.

圖1 無縫鋁管和開縫鋁管

演示實驗二：如圖2所示,磁鐵驅動細線懸掛的可口可樂鋁制易拉罐,使其旋轉.將磁鐵正對靜止懸掛的易拉罐,讓磁鐵向右邊不停地快速移動,會發現易拉罐逆時針(俯視)旋轉起來;再向左邊不停地快速移動磁鐵,會發現原來逆時針旋轉的易拉罐先減速轉動,然后再反向加速轉動.請利用所學過的知識解釋實驗現象.

2.2 環節二——學以致用 嘗試解決磁懸浮列車運行的實際問題

播放磁懸浮列車運行視頻,思考和討論如何使列車加速和減速,并以磁懸浮列車運行為背景,編制一道習題如下,定性和定量分析列車啟動和剎車過程.

【例題】磁懸浮列車是利用磁體間的抗磁作用使列車車體向上浮起,同時通過周期性地變換磁極方向而獲得推進動力的新型交通工具.其推進原理可以簡化為如圖3所示的模型:在水平面上相距l的兩根平行直導軌間,有豎直方向等距離分布的勻強磁場B1和B2,且B1=B2=B,每個磁場的寬都是l,相間排列,所有這些磁場都以速度v向右勻速運動.這時跨在兩導軌間的長為l、寬也為l的金屬框abcd(懸浮在導軌上方)在磁場力作用下向右運動.已知金屬框質量為m,總電阻為R.

圖3 磁懸浮模型

(1)設金屬框在運動過程中受到方向向左,大小恒為f的阻力,求金屬框從圖3所示位置由靜止開始啟動瞬間的電流方向、加速度以及后續過程中能達到的最大速度;

(2)若某時刻金屬框處在如圖4所示的無磁場區域以速度v0向右勻速運動,在金屬框前方有兩個寬度都為l但間距大于l的固定正方形磁場區域,磁感應強度都為B,求要讓金屬框停下來需要多少個這樣的磁場(不計阻力f).

圖4 磁懸浮制動模型

3 研究物理實驗 培養科學思維

科學思維方法包括比較、分類、抽象(理想化模型)、概括、分析、綜合、歸納、演繹等[3].本課例通過引導學生研究物理實驗,從抽象(建構理想化物理模型)、分析與綜合兩方面談談如何培養學生科學思維.

3.1 培養學生建構物理模型的科學思維

在物理學中,典型的科學抽象方法就是理想化模型法.模型可以分為實體模型、條件模型和過程模型[3].實體模型是物體本身經過科學抽象成為理想研究對象,如力學中的質點,電磁學中的點電荷等;條件模型就是把物理條件理想化,忽略次要因素,抓主要因素,如光滑、輕質等;過程模型就是理想過程,將物體運動過程理想化,如勻速直線運動、簡諧運動等[3].

在本課例環節一中,對于演示實驗一的解釋,可以先讓學生獨立思考,再小組討論,生生交流.學生根據磁鐵在無縫鋁管里下落時間明顯長于開縫鋁管里下落時間的現象,可以得出這是由于磁鐵受到向上安培力的原因,說明無縫鋁管內部產生了感應電流,為什么會產生感應電流呢?此時引導學生將鋁管微元分割成一圈圈的鋁環,當磁鐵穿過鋁管時引起鋁環磁通量變化,根據楞次定律,所以鋁環產生了感應電流,感應電流對磁鐵施加了阻礙其下落的安培力,所以下落時間明顯變長,即電磁阻尼.對此演示實驗現象成功解釋的關鍵在于將長直鋁管微元成學生熟悉的圓環模型,在此過程中,教師引導學生體會將實際物體通過模型建構,轉化成理想化模型的方法.

對于演示實驗二,用磁鐵驅動細線懸掛的可口可樂鋁制易拉罐旋轉,在成功解釋演示實驗一的基礎上,教師引導學生大膽構建自己熟悉的理想化模型來解釋實驗現象.學生經過相互討論,相互啟發后,總結出有兩種模型建構方式.

第一種,根據演示實驗一將鋁管構建成鋁環的經驗,學生將易拉罐正對磁鐵的一面看成一閉合回路abcd,如圖5所示.由于磁鐵向右移動導致該回路磁通量減小,從而在易拉罐里形成順時針的感應電流(渦流),再根據左手定則分別對4條邊受力分析,由于對稱性ab邊和cd邊受到安培力等大反向,而bc邊和ad邊所受安培力方向相反但大小不等,由于bc邊磁場更強,所以Fbc>Fad,從而讓易拉罐逆時針轉動起來.

圖5 鋁環模型

第二種,將易拉罐正對磁鐵一面微元成很多條形金屬條,選其中一條ab作為研究對象,由于磁鐵向右移動,等價為磁場不動,ab金屬條向左切割,根據右手定則,將形成由a到b的感應電流,再根據左手定則,金屬條ab將受到向右的安培力,在此安培力驅動下,原來靜止的易拉罐將逆時針(俯視)轉動起來,即電磁驅動現象,如圖6所示.

圖6 鋁條模型

有了環節一中建構模型的經驗,環節二中,在討論如何讓磁懸浮列車啟動和剎車的實際問題時,絕大部分學生能將列車理想建構成懸浮在導軌上的金屬框模型.

對于兩個演示實驗和磁懸浮列車的實際問題,構建的理想化模型都屬于實體模型.教師引導學生忽略長直鋁管、易拉罐和磁懸浮列車具體形狀、大小等次要因素,抽象出其主要因素,建構出熟悉的模型,從而成功地解釋了實驗現象和解決了實際問題.學生經歷這樣一個忽略次要矛盾,抓主要矛盾的理想模型建構過程,無疑對其科學思維的培養是大有裨益的.

3.2 培養學生分析與綜合的科學思維

3.2.1 分析

分析就是科學思維過程把對象的整體分解為各個部分、要素、環節、階段并加以考查的方法[3].物理學中的分析主要有以下情形.

情形一：分析物理研究對象在空間分布中的各個組成部分[3].如力學中受力分析的隔離法,就是將研究對象在空間上進行分割,然后把分割好的各個部分從整體中隔離出來分析.比如演示實驗一和二,均用到了微元分割法,將長直鋁管分割成一圈圈的圓環和將易拉罐面對磁鐵的一面分割成金屬條或看成一閉合線框.

情形二：分析物理研究對象在時間發展中的各個組成階段[3].比如對于多過程問題,我們將研究對象所處的各個過程分開研究.

情形三：分析研究對象的各種因素、方面和屬性[3].比如,我們可以對同一個研究對象從牛頓運動定律、做功與能量轉化和沖量與動量變化3個方面分析.

對于演示實驗一和二,當學生從力學角度分析了實驗現象后,也可以引導學生從做功和能量轉化與守恒角度分析.磁鐵在鋁管下落過程中減小的機械能轉化成磁鐵本身的動能和鋁管內部渦流產生的焦耳熱,這部分焦耳熱的大小等于磁鐵下落過程中克服安培力做的功;對于磁鐵驅動易拉罐轉動的實驗中,易拉罐增加的動能來源于磁鐵減少的機械能,但易拉罐增加的動能是否等于磁鐵減少的機械能呢?顯然不是,易拉罐在轉動過程中罐體還有感應電流,還會產生焦耳熱,根據能量守恒定律,磁鐵減少的機械能轉化成易拉罐的動能和焦耳熱.

又比如環節二中以磁懸浮列車為背景的例題,第一問是從牛頓運動定律角度分析列車受力情況,產生的加速度以及能獲得的最大速度,著重從力學角度分析列車的啟動過程;第二問,我們可以從動量定理角度分析,要求需要多少塊這樣的磁場區域,列車才能停下來.由于列車每經過一個磁場區域,動量的減少量都相同,所以用初始動量除以穿過每一區域減少的動量,就可以算出需要多少塊磁場區域.

整個課例,既需要學生從研究對象的整體隔離角度分析,又要求從規律的3個方面(力學、能量與動量)進行分析,可以促進學生形成從多個角度看待問題的物理觀念,同時也可以促進學生分析的科學思維能力的提高.

3.2.2 綜合

所謂綜合,就是把研究對象的各個部分、方面和因素聯合起來研究,從而在整體上把握事物的本質和規律的科學思維方法[3].比如受力分析中對研究對象使用的整體法,多過程問題我們研究全過程等.綜合方法在物理中有重要作用,當分析成果積累到一定程度后,用統一的思想把分散的事實、理論聯系綜合起來,就會發現新的規律,形成新的理論,使認識上升到更高層面[3].牛頓曾說:“我之所以看的遠,那是因為我站在巨人肩膀上”,牛頓綜合伽利略、開普勒、胡克等人的觀點,把當時認為毫無聯系的天體運動和地面運動聯系在一起,得出了牛頓三大定律和萬有引力定律,完成了物理學史上第一次大綜合.

在本課例中,演示實驗一中電磁阻尼是通過安培力來實現的,而在演示實驗二中電磁驅動也是通過安培力來實現的,此時,可以讓學生思考:安培力時而充當動力時而充當阻力,怎么樣統一安培力的作用?讓學生充分思考后再生生交流,引導學生對比聯系“摩擦力既可以充當動力也可以充當阻力,而摩擦力一定阻礙相對運動”的事實綜合分析兩個演示實驗,得出安培力也是在阻礙磁鐵和鋁管以及磁鐵和易拉罐之間的相對運動的結論.

綜合分析到這里,出現了“阻礙”這一關鍵詞,再次引導學生綜合對比這里的“阻礙”和楞次定律“感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流磁通量的變化”里面的“阻礙”,這兩個“阻礙”有什么聯系?學生經過綜合分析后得出:感應電流阻礙磁通量的變化實際上就是通過安培力阻礙兩物體的相對運動來實現的;從能量角度講,兩個“阻礙”都可以統一為能量轉化與守恒定律在電磁感應現象當中的體現.

在環節二中,以磁懸浮列車為背景的例題的第二問,如何才能得到金屬框進入或者穿出每一個磁場區域時,其速度變化量相同的結論,也是需要綜合分析的.首先,學生知道金屬框進入或者穿出每一個磁場區域其磁通變化量都相同,引導學生將磁通變化量ΔΦ和電荷量q聯系在一起,根據電荷量公式

(1)

所以金屬框每經過一個磁場區域,流經它的電荷量q相同.對于金屬框僅在安培力作用下減速運動過程,再引導學生聯系動量定理,安培力的沖量等于金屬框動量的變化量,即

-BILt=-BqL=mΔv

(2)

引導學生綜合對比這(1)、(2)兩個式子,可以發現:金屬框經過磁場區域的磁通變化量ΔΦ與速度變化量Δv通過電荷量q聯系在一起,即

(3)

在磁通變化量ΔΦ相同的情況下,金屬框速度變化量Δv也是相同的.所以我們可以用金屬框初始動量除以穿過每一區域減少的動量,就可以算出需要多少塊磁場區域才可以讓金屬框停下來.

進一步引導學生變形式(3),可以得到

(4)

其中,x代表列車進入或穿出磁場的位移.根據式(4),金屬框僅在安培力作用下的減速過程,速度關于位移是線性關系,可以作出v-x圖像如圖7所示.

圖7 v-x圖

在演示實驗一和二中,學生經過綜合分析,得出了一對相互作用的安培力阻礙相對運動的結論,并和楞次定律一起統一為能量轉化與守恒定律的體現;在磁懸浮列車的實際問題中,學生經過綜合分析,發現了以電荷量q為橋梁,可以將金屬框通過磁場區域的位移x和速度變化量Δv聯系在一起,即金屬框僅在安培力作用下的減速過程,其速度v對于位移x是均勻變化的的結論.

綜上所述,只要引導學生把影響研究對象的各因素和各個方面聯系起來,進行對比和綜合,學生就會有新的發現,新的認知.分析與綜合兩種科學思維方法在應用中是一個整體,不能把兩者割裂開來,分析是綜合的基礎,沒有分析,談何綜合.綜合是分析的后續,同時也是分析的前提,綜合是為了更好的分析,對分析有指導和促進作用.教師在實際教學過程中,只要不斷地引導學生分析—綜合—再分析—再綜合,就能有效地訓練和培養學生的科學思維能力.

4 結束語

“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”是著名物理教育家朱正元教授所提倡的,他從20世紀四五十年代開始,從事大學基礎物理、物理實驗和中學物理教學,為祖國培養大批物理人才.這種精神今天依然應該發揚光大.

物理是一門實驗學科,所以在物理教學過程中,應該高度重視實驗教學,不僅要求教師做演示實驗,還要求學生親自參與到實驗中來,利用身邊的物品,制作一些簡易的實驗器材,親自做實驗,利用科學思維方法研究實驗,讓科學思維的培養貫穿于實驗的全過程,從而讓學生逐步形成真正的科學思維.