周紀(jì)良

（寧波市鄞州區(qū)姜山中學(xué) 浙江 寧波 315191）

學(xué)習(xí)定勢是指學(xué)生對學(xué)習(xí)活動(dòng)的心理準(zhǔn)備狀態(tài).學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)、知識結(jié)構(gòu)、思維方式，以及需要、愿望、態(tài)度等都能構(gòu)成其學(xué)習(xí)的心理準(zhǔn)備狀態(tài)，對學(xué)習(xí)發(fā)生定勢作用，從而對學(xué)習(xí)活動(dòng)產(chǎn)生影響.學(xué)習(xí)定勢對學(xué)習(xí)有積極的作用，也有消極的作用.學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中往往存在各種學(xué)習(xí)定勢，如思維定勢、視覺定勢等.例如，在“互感和自感”一節(jié)學(xué)習(xí)中，學(xué)生存在以下思維定勢.

（1）之前在學(xué)習(xí)直流電時(shí)，認(rèn)為線圈是普通導(dǎo)線或電阻，在簡化恒定電路的過程中又視為短路.這一定勢會(huì)制約學(xué)生對自感和變壓器電路的正確分析.

（2）教材中直接給出兩個(gè)電路演示通電和斷電時(shí)的自感現(xiàn)象，這種方法往往會(huì)使學(xué)生形成一個(gè)電路只出現(xiàn)一種自感現(xiàn)象的思維定勢，學(xué)生也難理解這樣設(shè)計(jì)兩個(gè)電路的原因.

（3）演示斷電自感現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生只能看到燈泡突閃一下后熄滅，給學(xué)生頭腦中形成斷電自感電動(dòng)勢的作用只是使電路中電流增大一下的錯(cuò)誤思維，而且沒有顯示燈泡中的電流方向的變化.

（4）學(xué)生對瞬時(shí)高壓自感電動(dòng)勢和磁場能量的認(rèn)識，可以從理論上推理，但不一定信服.

為使學(xué)生克服學(xué)習(xí)定勢帶來的障礙，找到思維的拐點(diǎn)，撥正思維的方向，我們設(shè)計(jì)了一系列傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn).

1 徒手取電實(shí)驗(yàn)——線圈功能的再認(rèn)識

我們設(shè)計(jì)了如圖1所示的“徒手取電實(shí)驗(yàn)”，線圈L1接220V交變電壓，燈泡直接用導(dǎo)線連接，通過增加L2纏繞在鐵芯上的匝數(shù)，最終燈泡能發(fā)光嗎？在學(xué)生不斷地增加線圈L2匝數(shù)的過程中，燈泡逐漸地由暗變亮，此過程說明線圈L2成了電源.因通過線圈L1的電流變化，使穿過線圈L2的磁通量發(fā)生變化，線圈L2中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢.

圖1

2 通電自感電路的設(shè)計(jì)——顯示對比實(shí)驗(yàn)的魅力

在如圖2所示電路中，學(xué)生能根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律推斷出，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，通過線圈的電流增大，

圖2

圖3

在線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.但要學(xué)生真的相信，必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn).由楞次定律判斷，感應(yīng)電動(dòng)勢與電源電動(dòng)勢是反接的，這樣必然會(huì)對回路電流產(chǎn)生影響，用串聯(lián)燈泡的亮度變化來顯示（圖3）.演示后，通過小燈泡A1的發(fā)光情況，很難判斷線圈中是否有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生.到底是自感現(xiàn)象沒有產(chǎn)生，還是小燈泡的發(fā)光變化不明顯而觀察不清楚？能不能再用一個(gè)開關(guān)合上立即就亮的燈泡作“對比”呢？學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖4所示的通電自感的演示電路.這樣就突破只從線圈支路找原因的定勢，另辟蹊徑找到了學(xué)生的思維拐點(diǎn).

3 斷電自感電路的設(shè)計(jì)——視覺定勢的突破

如圖4所示，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，學(xué)生能從理論上推得線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.實(shí)際上，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，兩燈A1，A2都熄滅了，看不出有延時(shí)效果，使學(xué)生形成用此電路只會(huì)發(fā)生通電自感的思維定勢.燈泡的亮度并不與電流的大小成正比，因而不能正確地反映電流的大小，也不能指示電流方向.為此，我們用靈敏度高的DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究通電自感和斷電自感現(xiàn)象，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成即傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī).旋下兩個(gè)小燈泡，將兩個(gè)電流傳感器串聯(lián)在原來兩個(gè)燈泡的位置.閉合和斷開S即可通過計(jì)算機(jī)上的DIS通用軟件界面觀察到線圈中電流變化的圖線（圖5）.可以觀察到：通電后，通過小燈泡A1的電流逐漸增大，推遲了電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間；斷電后，燈泡A1的電流從原值逐漸減小為零，電流方向不變.通電后，通過小燈泡A2的電流迅速增大到一個(gè)峰值（圖5中凸起處），然后穩(wěn)定下來；斷電后，燈泡A2的電流立即反向，電流的大小逐漸減小為零.經(jīng)分析，斷電后流過小燈泡A2的電流不是原來電流，而是線圈中的感應(yīng)電流.DIS測量就解決了因燈泡在視覺上顯示不出電路中電流的瞬間動(dòng)態(tài)變化的視覺定勢，并充分體現(xiàn)了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在——量化功能.

圖4

圖5

那么，我們就找到了燈泡由亮到更亮的視覺拐點(diǎn)顯示斷電時(shí)的自感電動(dòng)勢作用，使原電路有線圈支路的電流要大于燈泡A2支路的電流.這樣當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢與燈泡A2構(gòu)成串聯(lián)回路，造成流過燈泡A2的感應(yīng)電流起先大于原來穩(wěn)定時(shí)的電流，燈泡A2先閃亮一下再熄滅.為此，必須使線圈支路的直流電阻小于燈泡A2支路的電阻.學(xué)生提出要么將燈泡A1去掉，要么將燈泡A1連接到燈泡A2支路.為使電路結(jié)構(gòu)簡單，我們用如圖6電路演示通電自感.于是，學(xué)生就明白了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)意圖.當(dāng)然，為了顯示斷電自感的感應(yīng)電流方向，提示學(xué)生可以利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦愿倪M(jìn)電路設(shè)計(jì).

圖6

4 點(diǎn)燃酒精燈實(shí)驗(yàn)——感受瞬時(shí)高壓自感電動(dòng)勢

學(xué)生在學(xué)習(xí)自感現(xiàn)象的防止的實(shí)例——油浸開關(guān)時(shí)，當(dāng)含有線圈的電路中開關(guān)斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢，對此學(xué)生將信將疑，往往只是從公式理性上認(rèn)識自感電動(dòng)勢大小，感受不深.我們模擬了用自感點(diǎn)燃酒精燈的小實(shí)驗(yàn)（圖7）.用6V直流電源與自感線圈（利用身邊的日光燈鎮(zhèn)流器中的線圈）串聯(lián)，其中兩根導(dǎo)線削去絕緣，先使裸體金屬導(dǎo)線接觸并靠近酒精燈芯.接著迅速斷開觸點(diǎn)，這時(shí)酒精燈被點(diǎn)燃.因?yàn)榫€圈L中的電流急劇減少，產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢，它和電源電壓疊加起來產(chǎn)生高電壓，使空氣電離產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃酒精燈.這樣學(xué)生對斷電時(shí)線圈中產(chǎn)生更大的電動(dòng)勢深信不疑.同時(shí)，可引導(dǎo)有興趣的學(xué)生來研究汽車的點(diǎn)火裝置原理.

圖7

5 點(diǎn)亮節(jié)能燈管實(shí)驗(yàn)——相信磁場能量的存在

教材中關(guān)于磁場的能量，是通過能量的轉(zhuǎn)化和守恒的思想作出的一個(gè)合理假設(shè)：線圈的磁場中儲存了能量.學(xué)生只是知道有磁場的能量，很難相信線圈中真的存在磁場能量.我們做了點(diǎn)亮節(jié)能燈管實(shí)驗(yàn)（圖8）.節(jié)能燈管越靠近接通電源的輝光球，亮度越高.節(jié)能燈管發(fā)光說明它接收了能量，而在輝光球附近存在的是電磁場，顯然是電磁場提供了能量.

圖8

綜上所述，在物理教學(xué)中要注重研究學(xué)生可能存在的各種思維、視覺、前概念等定勢，有針對性地、創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)適合的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)誘發(fā)思維，將新舊知識的矛盾尖銳地?cái)[在學(xué)生面前，使他們的思維處在激烈的非平衡態(tài)中，以突破學(xué)生學(xué)習(xí)的思維定勢.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)去點(diǎn)撥思維，可起到“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”的效果.