徐 平

(海安縣南莫中學(xué) 江蘇 南通 226681)

電磁學(xué)是中學(xué)物理知識(shí)的交匯點(diǎn)，既是教學(xué)的重點(diǎn)又是難點(diǎn).這部分內(nèi)容抽象，師生普遍感到難教、難學(xué).但如果發(fā)揮手工制作的優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生合作化學(xué)習(xí)，激發(fā)其好奇心和探究欲，就能化難為易，讓學(xué)生品嘗到學(xué)習(xí)的快樂.

1 繞定點(diǎn)平轉(zhuǎn)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡清范圍明

1.1 材料及制作

材料：白紙(8K)1張，硬紙板(15 cm×15 cm)1張，蠟紅紙(10 cm×10 cm)1張，圓規(guī)、圖釘、剪刀各1個(gè)，紙膠.

制作：以同桌兩學(xué)生為一小組.用圓規(guī)在硬紙板上畫一個(gè)半徑約為6 cm的圓，用剪刀剪下并在圓心O處開一小孔，從蠟紅紙上剪下一箭頭，并將其用紙膠貼到圓紙板的邊緣(表示粒子的運(yùn)動(dòng)方向)，再用圖釘釘在貼有箭頭處，然后將它們一起釘?shù)桨准埖闹醒?在白紙上標(biāo)明垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).

1.2 創(chuàng)設(shè)情境提出問題

有一不計(jì)重力，帶正電的粒子源位于O處，以平行于紙面、不變的速率，向各個(gè)方向射出粒子(其軌道半徑恰好為硬紙板的半徑).

利用上述小制作，猜想、分析推理、討論交流，探究如下課題.

(1)粒子所能到達(dá)的最大區(qū)域

1)在紙面內(nèi)向下射出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡；

2)它所能達(dá)到的最大范圍；

3)向不同方向射出粒子，其軌跡有何特點(diǎn)？

4)怎樣得到各種情況下的軌跡？

5)如何畫出粒子所能到達(dá)的最大區(qū)域？

合作實(shí)驗(yàn)：學(xué)生剛完成制作，很興奮，立即能感悟到向各個(gè)方向射出粒子的軌跡都是半徑相同的圓.裝好硬紙板后，早就嘗試著旋轉(zhuǎn)圓紙板得到粒子能達(dá)到的最大范圍.他們將鉛筆緊靠紙板邊緣，讓紙板旋轉(zhuǎn)一周畫出粒子所能到達(dá)的最大區(qū)域(如圖1中以O(shè)為圓心，半徑為紙板直徑的圓).

圖1

(2)粒子軌跡圓圓心的軌跡

合作實(shí)驗(yàn)：有了上述基礎(chǔ)，學(xué)生很快能將鉛筆置于圓紙板圓心的小孔處，讓紙板旋轉(zhuǎn)一周便得到了粒子軌跡圓圓心的軌跡(如圖中1以O(shè)為圓心，半徑為紙板半徑的圓).

(3)粒子打到擋板上的范圍

情境拓展：再假設(shè)距粒子源距離為軌跡圓半徑的地方放置一擋板(從蠟紅紙上剪下一長(zhǎng)窄條貼于此處，作為擋板的標(biāo)志)，利用小制作探究向各個(gè)方向射出粒子能打到擋板上的范圍.

合作實(shí)驗(yàn)：多數(shù)學(xué)生能夠通過旋轉(zhuǎn)紙板得出和擋板相交的

圖2

兩個(gè)最遠(yuǎn)點(diǎn)，領(lǐng)悟到一個(gè)臨界點(diǎn)為下方距粒子源為軌跡圓直徑的地方，另一臨界點(diǎn)為上方的軌跡圓與擋板相切處(圖2).

(4)粒子可能經(jīng)過的區(qū)域

圖3

情境拓展，再引問題：水平放置一平板MN(板上O處有一小孔)， 其上方有一垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).從小孔O向各個(gè)方向射入許多質(zhì)量、速率、電荷量均相同，不計(jì)重力的帶正電的粒子(圖3)，探究這些粒子可能經(jīng)過的區(qū)域.

圖4

合作探究：帶電粒子的速度方向可變，它們?cè)诖艌?chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡是位于平板上方通過O點(diǎn)的一系列圓弧.置于O點(diǎn)的圓紙板以O(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)所掃過的區(qū)域，即為粒子可能經(jīng)過的區(qū)域(圖4).

1.3 思維障礙的跨越

探究在水平面內(nèi)某粒子源向各個(gè)方向發(fā)射的粒子所能到達(dá)的最大區(qū)域、軌跡圓圓心的軌跡、粒子打到擋板上的范圍以及可能經(jīng)過的區(qū)域，這些新穎課題對(duì)學(xué)生來說具有很強(qiáng)的吸引力，激發(fā)了他們的好奇心.他們通過猜想、推理分析、爭(zhēng)辯、操作論證，最終得出結(jié)論，成功感油然而生.還可對(duì)以前模糊認(rèn)識(shí)進(jìn)行反思、矯正，生成創(chuàng)新火花.如利用小制作，還能提出和解決哪些問題？小制作還可以做哪些改進(jìn)？這些都潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

2 繞定軸翻轉(zhuǎn)求磁通量變化轉(zhuǎn)愁為喜

2.1 材料及制作

材料：白紙(8K或16K)1張，紅水筆1支，紙膠(或膠帶)，剪刀.

制作：從白紙上剪下邊長(zhǎng)為12 cm的正方形，用紅水筆將一面涂紅，并將一邊貼在筆芯上(筆芯作為轉(zhuǎn)軸，如圖5).

2.2 合作實(shí)驗(yàn)探究未知

創(chuàng)設(shè)情境：桌面所在的水平面內(nèi)存在著豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，有一矩形單匝線圈置于水平面內(nèi).要求利用小制作完成下列探究.

(1)線圈繞一邊為軸旋轉(zhuǎn)180°的過程中，磁通量的變化量.

(2)線圈繞一邊為軸旋轉(zhuǎn)135°的過程中，磁通量的變化量.

合作實(shí)驗(yàn)：多數(shù)學(xué)生能夠通過線圈繞軸旋轉(zhuǎn)感悟到從紅色穿進(jìn)白色穿出與從白色穿進(jìn)紅色穿出時(shí)磁通量的不同，具體實(shí)驗(yàn)如圖5,6.

圖5 圖6

2.3 思維障礙的跨越

磁通量的變化為兩標(biāo)量之差.學(xué)生往往受兩正數(shù)相減的慣性思維影響而出錯(cuò).利用小制作的合作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身體會(huì)到對(duì)同一平面從相反方向穿過時(shí)磁通量的不同，又通過相互討論得出：同一平面的不同穿法可用正、負(fù)號(hào)表示，如從紅色面穿進(jìn),白色面穿出時(shí)為正；從白面穿進(jìn)，紅色面穿出時(shí)為負(fù).先確定正負(fù)再相減.這樣,學(xué)生的理解會(huì)達(dá)到一定的深度，求標(biāo)量的變化問題就會(huì)迎刃而解.

3 展示運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)電流變化規(guī)律變?nèi)菀?/h2>

3.1 線框在磁場(chǎng)中繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流方向的確定

(1)材料與制作

材料：白紙(8K)1張，膠帶，水筆，剪刀.

制作：從白紙上剪下邊長(zhǎng)為12 cm的正方形，用紅色水筆將一面涂紅，并在4個(gè)頂點(diǎn)標(biāo)上a,b,c,d,用4～5 cm的膠帶，使其一段貼在ab邊的中點(diǎn)，另一段用手提著懸于空中(圖7).

圖7

(2)合作實(shí)驗(yàn)探究未知

創(chuàng)設(shè)情境：在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一質(zhì)量為m，阻值為R的閉合矩形金屬線框abcd,用絕緣輕質(zhì)細(xì)桿懸掛在O點(diǎn)，并可繞O擺動(dòng).金屬線框從右側(cè)某一位置靜止開始釋放，在擺動(dòng)到左側(cè)最高點(diǎn)的過程中，細(xì)桿和金屬框平面始終處于同一平面，且垂直紙面.利用小制作探究線框中感應(yīng)電流的方向.

合作探究：同組的學(xué)生結(jié)合小制作按步驟探究，最后歸納磁通量變化和感應(yīng)電流方向的判斷方法.

(3)思維障礙的跨越

線框從右側(cè)下擺至左側(cè)最高點(diǎn)的過程中，若在右側(cè)時(shí)線框abcd紅色面朝右上，磁感應(yīng)線從白色面穿進(jìn)紅色面穿出，擺到左側(cè)時(shí)磁感應(yīng)線從紅色面穿進(jìn)白色面穿出，磁通量的正負(fù)發(fā)生了變化；線圈的左右位置互換.這些都給學(xué)生判斷感應(yīng)電流的方向帶來了思維障礙，稍不留神就會(huì)出錯(cuò).學(xué)生從動(dòng)手制作和討論中，體會(huì)到磁通量的正、負(fù)和線圈左右位置變化對(duì)感應(yīng)電流方向的影響，領(lǐng)悟到用線圈的涂色、標(biāo)號(hào)解決問題的優(yōu)越性(答案為d→c→b→a→d).

3.2 線框在磁場(chǎng)中平動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流方向的確定

(1)材料與制作

材料：白紙1張，水筆，剪刀.

制作：從白紙上剪下兩塊邊長(zhǎng)為12 cm的正方形，并將其中一塊沿對(duì)角線折疊后放開，用紅色水筆沿折線畫一虛線，在紙面內(nèi)畫一垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，兩頂點(diǎn)標(biāo)上字母a，b.將另一塊沿中線折疊后放開，也用紅色水筆沿折線畫一虛線.

(2)合作實(shí)驗(yàn)探究未知

創(chuàng)設(shè)情境：如圖8，一個(gè)邊長(zhǎng)為l的正方形虛線框內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng).一個(gè)邊長(zhǎng)也為l的正方形導(dǎo)線框所在平面與磁場(chǎng)方向垂直.虛線框

圖8

對(duì)角線ab與導(dǎo)線框的一條邊垂直，ba的延長(zhǎng)線平分導(dǎo)線框．在t=0時(shí)，使導(dǎo)線框從圖示位置開始以恒定速度沿ab方向移動(dòng)，直到整個(gè)導(dǎo)線框離開磁場(chǎng)區(qū)域．

合作探究：同桌的兩學(xué)生，一人將一正方形作為磁場(chǎng)固定，另一人讓正方形線圈的中線沿磁場(chǎng)的對(duì)角線緩慢移動(dòng)，線框穿過磁場(chǎng)的復(fù)雜過程盡收眼底，很容易得出線框中感應(yīng)電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而作出i-t圖線.

(3)思維障礙的跨越

圖9

正方形線圈沿正方形磁場(chǎng)的對(duì)角線移動(dòng)的過程中，隨著線圈兩邊分別進(jìn)入、移動(dòng)、離開，切割磁場(chǎng)邊的有效長(zhǎng)度不斷變化，總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷變化，導(dǎo)致感應(yīng)電流的大小和方向隨時(shí)間變化，這是作i-t圖像的難點(diǎn).通過緩慢地移動(dòng)，展示線圈運(yùn)動(dòng)的慢鏡頭，省去作繁雜的過程圖；有效切割長(zhǎng)度的變化、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的疊加和感應(yīng)電流的變化會(huì)體現(xiàn)得淋漓盡致.又通過合作討論，加深對(duì)感應(yīng)電流正負(fù)的規(guī)定、橫(縱)軸及坐標(biāo)的選取、單位的確定、電流與時(shí)間規(guī)律的理解(其正確答案如圖9).

4 結(jié)束語(yǔ)

利用手工制作，突破電磁學(xué)難點(diǎn)的案例還遠(yuǎn)不止這些.它的意義在于創(chuàng)設(shè)了新穎的情境，豐富了學(xué)生的情感體驗(yàn)，營(yíng)造了輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，賦予學(xué)習(xí)活動(dòng)的新奇感，使學(xué)生的認(rèn)知過程變得有趣；在于讓學(xué)生感受到“科學(xué)就在我身邊”，體驗(yàn)科學(xué)真實(shí)性的實(shí)踐；在于引導(dǎo)合作化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人；還在于敲開學(xué)生的思維源泉，培養(yǎng)動(dòng)手和創(chuàng)新能力；在于不花錢，能解決許多有價(jià)值的大問題.

著名物理教育家朱正元教授早在20世紀(jì)70年代就倡導(dǎo)“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，并為此終生示范，至今仍為廣大中學(xué)物理教師所稱道.在實(shí)施新課程的今天，我們更有必要身體力行，將這種思想發(fā)揚(yáng)光大.