廖永容 楊曉梅 陳琪睿

(寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

2017版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出:“物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)科知識(shí)的過(guò)程中逐漸形成的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力,主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等4個(gè)要素構(gòu)成.”[1]公民具有科學(xué)探究的能力是指他們能夠根據(jù)觀察到的現(xiàn)象提出科學(xué)問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)解決方案、根據(jù)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并搜集證據(jù)、基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,科學(xué)探究是一種綜合能力,也是物理學(xué)習(xí)和的獲得科學(xué)知識(shí)的主要方法.而物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)的學(xué)科,任何物理定律都是科學(xué)家們經(jīng)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的,物理知識(shí)的學(xué)習(xí)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn).本文以交變電流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為案例,將科學(xué)探究的思想融入到探究交變電流的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)之中,充分考慮學(xué)生的知識(shí)水平,層層遞進(jìn)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境形成物理觀念,在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中凸顯科學(xué)思維,融入科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,展現(xiàn)了在物理教學(xué)中展開(kāi)探究實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)所起到的關(guān)鍵作用.

1 探究流程

探究實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)問(wèn)題在探究活動(dòng)中的重要性,教師根據(jù)探究目標(biāo),圍繞中心主題合理地設(shè)置問(wèn)題,引領(lǐng)學(xué)生由淺入深的進(jìn)行探究.為高效完成探究目標(biāo),本文針對(duì)各探究目標(biāo)巧妙地設(shè)置了相應(yīng)問(wèn)題,讓學(xué)生在探究過(guò)程中逐步獲取知識(shí)、學(xué)會(huì)運(yùn)用物理觀念解決實(shí)際問(wèn)題,以期提升學(xué)生的綜合能力.探究流程圖如下.

圖1 探究流程圖

2 探究目標(biāo)

(1) 認(rèn)識(shí)交變電流,能說(shuō)出交變電流的概念.

(2) 觀察實(shí)驗(yàn)儀器,結(jié)合實(shí)驗(yàn)找出發(fā)電機(jī)的工作原理.

(3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論總結(jié)推理出交變電流的變化規(guī)律.

(4) 能結(jié)合發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用電磁感應(yīng)的知識(shí)動(dòng)手制作發(fā)電機(jī),逐漸認(rèn)識(shí)科學(xué)知識(shí)的本質(zhì).

3 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)器材： 手搖發(fā)電機(jī)、檢流計(jì)、導(dǎo)線(xiàn)、微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電腦.

(注意事項(xiàng):在使用實(shí)驗(yàn)儀器前,詳細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)了解儀器的構(gòu)造特征和使用方法,檢查儀器是否能正常工作,檢流計(jì)是否調(diào)零.)

圖2 手搖發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 探究過(guò)程

4.1 儲(chǔ)備知識(shí)

實(shí)驗(yàn)前學(xué)生已具備電磁感應(yīng)、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)電流、右手定則、導(dǎo)體做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、閉合電路歐姆定律等相關(guān)知識(shí).實(shí)驗(yàn)儀器方面,學(xué)生已非常熟悉檢流計(jì)，變阻箱的使用方法.

4.2 探究感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

現(xiàn)象觀察.首先請(qǐng)學(xué)生重溫導(dǎo)體棒做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)發(fā)電實(shí)驗(yàn).交變電流是電磁感應(yīng)的具體應(yīng)用,用電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)作引入幫助學(xué)生建立新舊知識(shí)的聯(lián)系,為學(xué)生接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)推理奠定理論基礎(chǔ).

其次讓學(xué)生觀察手搖發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈和磁極的結(jié)構(gòu)、搖動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)線(xiàn)圈的運(yùn)動(dòng)情況和燈泡的發(fā)光情況.然后讓學(xué)生對(duì)比導(dǎo)體棒實(shí)驗(yàn)和發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn),并根據(jù)對(duì)比提出問(wèn)題.

提出問(wèn)題.學(xué)生發(fā)現(xiàn):手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)不是單根導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng),而是N匝線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)動(dòng),小燈泡閃閃發(fā)光.由此提出問(wèn)題:發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理如何?與導(dǎo)體棒做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)發(fā)電有何聯(lián)系?閉合回路中電流遵循什么規(guī)律?

(a) 線(xiàn)圈和磁極結(jié)構(gòu)圖

圖3

問(wèn)題1.請(qǐng)學(xué)生小組討論猜想,寫(xiě)出依據(jù).假設(shè)線(xiàn)圈共N匝,分析問(wèn)題時(shí)請(qǐng)用等效法將線(xiàn)圈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為便于處理的模型.

模型建構(gòu).等效法是一種常用的科學(xué)思維方法,即保證效果相同,將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化,從而抓住事物本質(zhì),找出規(guī)律的方法.問(wèn)題1引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)每匝線(xiàn)圈都是一個(gè)矩形,分析時(shí)可將N匝矩形線(xiàn)圈的形狀近似看作完全相同,任意一匝線(xiàn)圈又可看作由4根銅導(dǎo)線(xiàn)連接而成,所以單匝線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可等效為4根銅導(dǎo)線(xiàn)[如圖3(b)中ab、bc、cd、da等邊]在轉(zhuǎn)動(dòng).學(xué)生經(jīng)歷N匝線(xiàn)圈的理想化過(guò)程,結(jié)合導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)發(fā)電實(shí)驗(yàn),理清了線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于多根導(dǎo)體棒做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的思路,提高了學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)理想模型的科學(xué)思維能力,有助于幫助學(xué)生抓住線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線(xiàn)的關(guān)鍵要素,加深對(duì)發(fā)電機(jī)發(fā)電過(guò)程的理解,形成科學(xué)思維.

學(xué)生猜想.線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線(xiàn),所以手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電與導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)發(fā)電原理相同.電流的變化規(guī)律包括大小和方向的變化規(guī)律,根據(jù)閉合電路歐姆定律,電流大小的變化與電動(dòng)勢(shì)大小的變化同步,電流方向可能變化也可能不變.學(xué)生經(jīng)歷討論交流互換意見(jiàn)的過(guò)程,培養(yǎng)主動(dòng)與他人合作,尊重他人情感的科學(xué)態(tài)度.

材料:一般我們將N、S兩極間磁場(chǎng)近似看作勻強(qiáng)磁場(chǎng),矩形線(xiàn)圈ad、ab邊長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)、l．線(xiàn)圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中4條邊與磁感線(xiàn)間存在一定的夾角,線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)了幾個(gè)特殊的位置,分別是圖4中的a、b、c、d、e等位置.在a、c、e等位置時(shí)線(xiàn)圈平面與磁感線(xiàn)垂直(該平面又叫中性面);在b、d位置時(shí)線(xiàn)圈平面與磁感線(xiàn)平行.線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)到各個(gè)位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是最大還是最小?線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)a、b、c、d、e等位置瞬間電動(dòng)勢(shì)的方向如何?矩形線(xiàn)圈4條邊都在磁場(chǎng)中,是否所有邊都切割磁感線(xiàn)?是否會(huì)出現(xiàn)抵消現(xiàn)象?

圖4 線(xiàn)圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程立體示意圖

問(wèn)題2.請(qǐng)觀察線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程,基于你們的猜想推導(dǎo)出線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律.畫(huà)出平面圖.

科學(xué)推理.科學(xué)思維能力也包括科學(xué)推理的能力,要求高中學(xué)生能夠正確理解和應(yīng)用歸納推理、類(lèi)比推理、組合推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式,以及分析與綜合、抽象與概括、比較與分類(lèi)的思維方式等科學(xué)思維方法,從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論,并能解決實(shí)際問(wèn)題.[3]學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只有ab、cd兩條邊做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng),由此推理出線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由ab、cd兩條邊做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng)決定.學(xué)生使用右手定則判斷出線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)到各個(gè)位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向,得出線(xiàn)圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是ab、cd邊上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和.線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)到各個(gè)位置時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向分別為:b位置a→b、c→d,a位置b→a、d→c,線(xiàn)圈經(jīng)過(guò)中性面瞬間無(wú)切割運(yùn)動(dòng)發(fā)生,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將改變方向,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周,兩次經(jīng)過(guò)中性面,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向改變兩次.導(dǎo)體棒垂直切割磁感線(xiàn)時(shí)值最大,所以線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)到a位置瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零,轉(zhuǎn)動(dòng)到b位置瞬間最大.學(xué)生經(jīng)歷相關(guān)推理、因果推理,應(yīng)用分析、綜合、概括、比較的思維方式對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電過(guò)程進(jìn)行定性分析得出手搖發(fā)電機(jī)的原理是轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中做切割磁感線(xiàn)運(yùn)動(dòng),對(duì)于發(fā)電機(jī)的原理有了正確的認(rèn)識(shí).

圖5 線(xiàn)圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)平面圖

學(xué)生運(yùn)用立體幾何知識(shí)將線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖,圖5是線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為t時(shí)的平面圖.

4.3 探究交變電流的變化規(guī)律

材料:閉合回路中電流的變化規(guī)律是否與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化規(guī)律同步?同學(xué)們細(xì)心觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)集流環(huán)上有條凹槽,它把集流環(huán)分成了兩部分,左半部分與藍(lán)導(dǎo)線(xiàn)相連,右半部分與紅導(dǎo)線(xiàn)相連如圖6所示.電刷夾在集流環(huán)兩端時(shí)如圖7(a)所示,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電刷與集流環(huán)相互接觸的部位始終沒(méi)有變;而電刷夾在集流環(huán)中央時(shí)如圖7(b)所示,線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中原本與集流環(huán)左半部分接觸的上夾片,遇凹槽后卻與右半部分接觸,下夾片遇凹槽后也發(fā)生類(lèi)似的轉(zhuǎn)換,說(shuō)明電刷遇到凹槽前后外電路中電流的方向不一致.

圖6 集流環(huán)結(jié)構(gòu)圖

(a) 電刷夾于集流環(huán)兩端

問(wèn)題3.電刷夾在不同位置時(shí)流經(jīng)燈泡的電流相同嗎?如何表示電流的變化規(guī)律?若閉合回路中總電阻為R,請(qǐng)小組討論猜想,并根據(jù)現(xiàn)有器材合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案展開(kāi)實(shí)驗(yàn).

學(xué)生實(shí)驗(yàn).學(xué)生經(jīng)討論選擇檢流計(jì)檢測(cè)電流的方向,接入電阻以保護(hù)檢流計(jì).學(xué)生分工合作連接實(shí)物圖、畫(huà)出原理圖[如圖8(a)(b)]并進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

(a) 實(shí)物圖

結(jié)論:當(dāng)電刷夾于集流環(huán)兩端時(shí),檢流計(jì)指針在零刻線(xiàn)處擺動(dòng),說(shuō)明電流方向一直在變化;當(dāng)夾于中間時(shí),檢流計(jì)指針在零刻線(xiàn)的某一邊擺動(dòng),說(shuō)明電流方向沒(méi)有變化.由此可知閉合回路中產(chǎn)生了兩種電流,即方向不隨時(shí)間變化的電流和方向隨時(shí)間變化的電流.

問(wèn)題4.事實(shí)上你使用的發(fā)電機(jī)具有產(chǎn)生兩種電流的功能,而這兩種電流就是直流和交變電流.在學(xué)習(xí)電路時(shí)我們已經(jīng)接觸過(guò)直流,如連接電池的回路中,電流方向不隨時(shí)間而變,這種電流就是直流.請(qǐng)你寫(xiě)出交變電流的概念和變化規(guī)律,對(duì)比交變電流與直流并描述他們的異同.

4.4 交變電流的圖像

探究到此學(xué)生對(duì)交變電流有了理性認(rèn)識(shí),思考如果給你如圖9所示電流隨時(shí)間變化的圖像(即波形圖),你能識(shí)別交變電流的波形圖嗎?

問(wèn)題5.為了測(cè)試結(jié)論的準(zhǔn)確性,請(qǐng)利用DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)觀察電流波形圖．

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:手搖發(fā)電機(jī),DIS數(shù)字化信息系統(tǒng)(微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和電腦)．

學(xué)生實(shí)驗(yàn).按照?qǐng)D10的方式連接實(shí)物圖展開(kāi)實(shí)驗(yàn)．

圖10 實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:圖11(a)、(b)、(c)是電流的波形圖,其中(a)、(b)是電刷夾在集流環(huán)中央時(shí)電流波的形圖,回路中的電流是直流,(a)是線(xiàn)圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的圖像,(b)線(xiàn)圈是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的圖像.(c)是電刷夾在集流環(huán)兩端時(shí)的電流波形圖,回路中的電流是交變電流.考慮實(shí)驗(yàn)誤差的影響,交變電流波形的特點(diǎn)與理論推導(dǎo)的周期性變化特點(diǎn)相符.學(xué)生借助傳感器實(shí)驗(yàn)提升了對(duì)交變電流的感性認(rèn)識(shí),從視覺(jué)的角度再一次證實(shí)了經(jīng)科學(xué)推理得出的結(jié)論的正確性,培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲,提升了學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度.

(a) 直流的波形圖(順時(shí)針)

(b) 直流的波形圖(逆時(shí)針)

(c) 交變電流的波形圖

5 實(shí)踐創(chuàng)新

本實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器是手搖發(fā)電機(jī),發(fā)電時(shí)磁極不動(dòng)而線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng),被稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī).實(shí)驗(yàn)室還有另一種發(fā)電機(jī),發(fā)電時(shí)線(xiàn)圈不動(dòng)而磁極轉(zhuǎn)動(dòng),叫做旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī).經(jīng)過(guò)本次實(shí)驗(yàn)相信同學(xué)們對(duì)電磁感應(yīng)有了更深刻的認(rèn)識(shí),如果讓你動(dòng)手制作發(fā)電機(jī),你會(huì)怎么做?

問(wèn)題6.利用以下器材,你們小組能做出幾款發(fā)電機(jī)?試著解釋原理.

材料:風(fēng)扇、強(qiáng)磁體、導(dǎo)線(xiàn)、螺旋槳、發(fā)電機(jī)、LED燈、線(xiàn)圈盒、檢流計(jì)、螺絲刀．

學(xué)生經(jīng)歷發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)獲得新知識(shí)后,能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)造活動(dòng),能按自己的想法獨(dú)創(chuàng)一款發(fā)電機(jī).這不僅有利于提高學(xué)生的創(chuàng)造力,而且學(xué)生在創(chuàng)造過(guò)程中會(huì)深思發(fā)電機(jī)的工作原理和電磁感應(yīng)知識(shí)之間的聯(lián)系,逐步理解科學(xué)知識(shí)的本質(zhì).

圖12 器材匯總圖

6 結(jié)語(yǔ)

探究交變電流的變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主展開(kāi),過(guò)程中包含了問(wèn)題、證據(jù)、 解釋、交流等4大要素.實(shí)驗(yàn)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有的知識(shí)、概念和模型,建構(gòu)交變電流的概念、理想線(xiàn)圈的模型,科學(xué)地推理得出交變電流的變化規(guī)律.學(xué)生帶著疑問(wèn)親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)中深入探究發(fā)電機(jī)發(fā)電的本質(zhì),最終準(zhǔn)確得出發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理.探究過(guò)程充分考慮了學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和實(shí)際情況,讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)知識(shí)形成的全過(guò)程,領(lǐng)悟了科學(xué)研究交變電流的方法,從而養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣,提高了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力,促進(jìn)了學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展.