吳宇鋒 俞麗萍

（春暉中學(xué) 浙江 上虞 312300）

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.一般而言，每一個(gè)物理規(guī)律都應(yīng)由很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)作支撐.人的思維從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，從觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果到得出物理規(guī)律，不是一個(gè)被動(dòng)的過程，應(yīng)該是一個(gè)能動(dòng)的過程.當(dāng)感性材料達(dá)到一定程度的時(shí)候，思維能動(dòng)地對(duì)這些材料進(jìn)行分析、綜合、比較、分類等，形成對(duì)事物的一般概括和理解.利用DIS可以提高學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，為學(xué)生理解物理現(xiàn)象、概念和規(guī)律打下一定的基礎(chǔ).

1 利用DIS幫助學(xué)生正確理解物理現(xiàn)象

感性認(rèn)識(shí)是進(jìn)行思維加工，正確理解物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)，是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣的有效武器.實(shí)驗(yàn)是獲得感性認(rèn)識(shí)的重要途徑.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)展示有關(guān)的物理現(xiàn)象，可以使學(xué)生獲得更生動(dòng)、更深刻、更能反映事物本質(zhì)屬性或共同特征的感性認(rèn)識(shí).

實(shí)驗(yàn)案例1：導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流

實(shí)驗(yàn)背景：在“電磁學(xué)”內(nèi)容中，要求學(xué)生建立“電－磁”關(guān)系模型，并理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì).此章的實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量?jī)x器要求很高，例如，要求有能測(cè)微安級(jí)電流的電流表，還要求能夠測(cè)量磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度等.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器在這方面恰恰存在欠缺.例如，在導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感生電流實(shí)驗(yàn)中，最理想的實(shí)驗(yàn)方案是使用單根導(dǎo)線，因?yàn)閱胃鶎?dǎo)線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最符合教材中對(duì)導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感生電流的描述，學(xué)生不存在認(rèn)知困難.但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中測(cè)微小電流信號(hào)的靈敏電流計(jì)只能達(dá)到毫安級(jí)，再加上單根導(dǎo)線切割磁感線的感生電動(dòng)勢(shì)很小，得到的感生電流相當(dāng)微弱，導(dǎo)致靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)很不明顯.在教學(xué)實(shí)踐中往往采取增加磁場(chǎng)強(qiáng)度、導(dǎo)線在磁場(chǎng)中有效長(zhǎng)度的方法，或直接使用微電流放大電路.采取這些措施雖然取得一定效果，但導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加畢竟是有限的，微電流放大電路又利用了“放大電流”的輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備.教師往往退而求其次，使用多匝線圈代替單根導(dǎo)線，使得學(xué)生在認(rèn)知過程中增加了將多匝線圈視為單一導(dǎo)體的“頭腦轉(zhuǎn)彎”.DIS微電流傳感器將實(shí)驗(yàn)精度從靈敏電流計(jì)的毫安級(jí)提升到了微安級(jí)，從而能清晰地觀察到感應(yīng)電流.

實(shí)驗(yàn)器材：蹄形磁鐵，銅棒，導(dǎo)線若干，微電流傳感器.

實(shí)驗(yàn)原理：銅棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過微電流傳感器，在計(jì)算機(jī)上顯示微電流的變化情況.

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）如圖1所示，銅棒通過導(dǎo)線與微電流傳感器相連.

圖1 銅棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)

（2）銅棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察微電流的變化情況.

（3）銅棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察微電流的變化情況.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖2所示，當(dāng)導(dǎo)體棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒中沒有感應(yīng)電流.如圖3所示，當(dāng)導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒中產(chǎn)生感應(yīng)電流.利用非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，直接顯示了導(dǎo)體棒在切割磁感線時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象.“耳聽為虛，眼見為實(shí)”，有了微電流傳感器的幫忙，導(dǎo)體棒在磁場(chǎng)中切割磁感線時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流現(xiàn)象能非常清楚地被學(xué)生觀察到.

圖2 導(dǎo)體棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)

圖3 導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)

2 利用DIS幫助學(xué)生形成正確的物理概念

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映.只有充分獲得有關(guān)事物的感性材料，才能形成正確的物理概念，充分理解物理概念的內(nèi)涵和外延，靈活解決物理問題.感性認(rèn)識(shí)是物理概念學(xué)習(xí)過程中的主要思維過程之一.

實(shí)驗(yàn)案例2：“反電動(dòng)勢(shì)”概念的理解

實(shí)驗(yàn)背景：“反電動(dòng)勢(shì)”是學(xué)生普遍感到難以理解的物理概念.特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，電路中的電流逐漸減??；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)速減小，甚至是電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電路中的電流又會(huì)增大到某一個(gè)值.學(xué)生感覺反電動(dòng)勢(shì)太“奧妙”了.在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，一般將電動(dòng)機(jī)與靈敏電流計(jì)相連接，利用靈敏電流計(jì)顯示電動(dòng)機(jī)中電流的變化情況.但靈敏電流計(jì)的指針太過靈敏，顯示不出隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，電路中電流逐漸變小的過程，對(duì)學(xué)生正確理解“反電動(dòng)勢(shì)”的概念造成了一定障礙.

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）如圖4所示，將穩(wěn)壓電源（6V）、電動(dòng)機(jī)、電流傳感器和開關(guān)S串聯(lián)在電路中.其實(shí)物的連接圖如圖5所示.由于學(xué)生難以觀察電動(dòng)機(jī)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，故在電動(dòng)機(jī)的軸上套一塊橡皮，以便學(xué)生通過橡皮的轉(zhuǎn)動(dòng)情況觀察電動(dòng)機(jī)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)情況.

圖4 “反電動(dòng)勢(shì)”實(shí)驗(yàn)電路圖

圖5 “反電動(dòng)勢(shì)”實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

（2）閉合開關(guān)S，打開DIS自帶的軟件開關(guān)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示了電路中的電流隨時(shí)間的變化情況.

（3）用手捏住橡皮，使電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示了電路中的電流隨時(shí)間的變化情況.

（4）整個(gè)過程中，電路中的電流隨時(shí)間的變化情況如圖6所示.從圖中可以看出，在開關(guān)剛閉合的瞬間，即電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，電路中的電流逐漸增加.當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電路中的電流亦穩(wěn)定.當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電路中的電流突然增大.

圖6 電流隨時(shí)間的變化情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān).若穩(wěn)壓電源為U，電動(dòng)機(jī)線圈電阻為R，則由

可得

E反與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)速減小，E反減小，故電流I突然增大.

3 利用DIS幫助學(xué)生正確理解物理規(guī)律

物理規(guī)律是觀察實(shí)驗(yàn)、物理思維和數(shù)學(xué)推理相結(jié)合的產(chǎn)物.如果沒有足夠的能夠把有關(guān)的物理現(xiàn)象及其之間的聯(lián)系鮮明地展示出來的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就很難理解物理規(guī)律的來龍去脈、物理意義、適用條件等，從而影響對(duì)物理規(guī)律的掌握和理解.

實(shí)驗(yàn)案例3：自感現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)背景：自感是學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)內(nèi)容的一個(gè)難點(diǎn).在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，電路如圖7所示，先閉合開關(guān)S使小燈泡A發(fā)光，然后斷開開關(guān).請(qǐng)學(xué)生觀察開關(guān)斷開時(shí)小燈泡的亮度.但小燈泡亮的時(shí)間非常短，而且由于沒有對(duì)照的小燈泡，很難觀察到其亮度是否比原來更亮，更無法知道流過小燈泡電流方向的變化情況.

圖7 自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)電路圖

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）實(shí)驗(yàn)電路如圖8所示.在小燈泡A所在的支路上串聯(lián)一個(gè)電流傳感器，其實(shí)物連接如圖9所示.

圖8 改進(jìn)的自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路圖

圖9 改進(jìn)的自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

（2）閉合開關(guān)，電路穩(wěn)定后，小燈泡A發(fā)光，然后斷開開關(guān)S.請(qǐng)學(xué)生觀察在斷開開關(guān)S時(shí)，小燈泡A亮度的變化情況.同時(shí)，通過電流傳感器在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出電流隨時(shí)間t的變化情況，如圖10所示.

圖10 自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路變化情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：從圖10中，不難看出，電路穩(wěn)定時(shí)，電路中的電流為0.2A，在斷開開關(guān)S瞬間，電路中的電流為0.25A，比原電流大，并且流過小燈泡的電流方向發(fā)生了變化.

實(shí)驗(yàn)案例4：研究軟硬物體間的作用力與反作用力

實(shí)驗(yàn)背景：“雞蛋碰石頭”往往被作為學(xué)生學(xué)習(xí)了牛頓第三定律以后，對(duì)牛頓第三定律的具體應(yīng)用.雞蛋對(duì)石頭的作用力與石頭對(duì)雞蛋的作用力為什么會(huì)相等呢？因?yàn)殡u蛋對(duì)石頭的作用力與石頭對(duì)雞蛋的作用力是一對(duì)作用力與反作用力.那么，可不可以通過實(shí)驗(yàn)來證明呢？

實(shí)驗(yàn)過程：

（1）如圖11，將礦泉水瓶的中間截?cái)?，得到一個(gè)透明的塑料環(huán).用雙面膠將塑料環(huán)和橡皮連接起來.

圖11 礦泉水瓶截成的塑料環(huán)和橡皮粘貼一起

（2）如圖12所示，將塑料環(huán)的一端和橡皮的一端分別與兩個(gè)力傳感器相連.兩個(gè)力傳感器分別顯示了塑料環(huán)與橡皮之間相互作用力的大小.

圖12 驗(yàn)證塑料環(huán)與橡皮間相互作用力

（3）在外力的作用下，使塑料環(huán)發(fā)生形變.在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示了兩個(gè)力傳感器之間的相互作用力（即橡皮對(duì)塑料環(huán)的作用力和塑料環(huán)對(duì)橡皮的作用力）.橡皮比較硬，相當(dāng)于“石頭”，塑料環(huán)比較軟，相當(dāng)于“雞蛋”.

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由圖13可得，軟的物體對(duì)硬物體的作用力與硬物體對(duì)軟物體的作用力大小相等，方向相反.

圖13 橡皮與塑料環(huán)間的相互作用力

4 反思與討論

（1）實(shí)驗(yàn)條件的控制

利用DIS提高感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)要求現(xiàn)象明顯，容易對(duì)實(shí)驗(yàn)的變量進(jìn)行控制.此類實(shí)驗(yàn)往往通過改變實(shí)驗(yàn)變量，在不同情況下得出前后兩種不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，加深對(duì)物理現(xiàn)象、物理概念、物理規(guī)律的理解.例如，在“導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)”中，改變銅棒運(yùn)動(dòng)的方向，通過“導(dǎo)體棒平行磁感線運(yùn)動(dòng)”與“導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)”兩種不同的實(shí)驗(yàn)情況而得出感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件.

（2）實(shí)驗(yàn)發(fā)生的階段

演示實(shí)驗(yàn)的目的之一是讓教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物質(zhì)（物體）的屬性或關(guān)系進(jìn)行探究，通過對(duì)感性材料的研究概括出物理概念或總結(jié)得出物理規(guī)律.就教學(xué)設(shè)計(jì)而言，利用DIS提高感性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)往往設(shè)置在一個(gè)問題或一個(gè)課題的引入階段.例如，“導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)驗(yàn)”說明“導(dǎo)體棒切割磁感線能夠產(chǎn)生感應(yīng)電流”，但產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是什么，產(chǎn)生的感應(yīng)電流遵從怎樣的規(guī)律，都是后續(xù)深入研究的問題.“反電動(dòng)勢(shì)”的實(shí)驗(yàn)說明，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化會(huì)引起電路中電流的變化，“電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化為什么會(huì)引起電路電流的變化”為學(xué)生進(jìn)一步理解“反電動(dòng)勢(shì)”概念作了一定的鋪墊.

（3）DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合

“自感現(xiàn)象”的DIS實(shí)驗(yàn)很好地體現(xiàn)了DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合.圖9中的實(shí)驗(yàn)裝置在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用來演示當(dāng)開關(guān)斷開的瞬間流過小燈泡電流的大小與開關(guān)閉合時(shí)流過小燈泡電流的大小關(guān)系，在開關(guān)閉合的瞬間，小燈泡“閃”了一下，說明通過小燈泡的電流比原來大了.在原傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，DIS實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了進(jìn)一步的改造，接入電流傳感器（圖8），既讓學(xué)生觀察到了電路中小燈泡的明暗變化情況，又借助于DIS軟件，使學(xué)生看到了流過小燈泡的電流的大小及方向的變化情況.此實(shí)驗(yàn)“一舉兩得”，很好地體現(xiàn)了DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合.