(1. 南京市雨花臺中學,江蘇 南京 210000; 2. 鹽城市亭湖高級中學,江蘇 鹽城 224301)

2017年12月,教育部制定并發(fā)行了《普通高中物理課程標準》,其實施建議中強調(diào):在教學設(shè)計和教學實施過程中要重視情境的創(chuàng)設(shè)．創(chuàng)設(shè)情境進行教學,對培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)具有關(guān)鍵作用．物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境．[1]創(chuàng)設(shè)情境的方法有多種,而實驗現(xiàn)象的引入最為常見．

在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件時,教師為了創(chuàng)設(shè)情境,可呈現(xiàn)的實驗現(xiàn)象也多種多樣．現(xiàn)行各種版本的教材中,多數(shù)是利用磁鐵插入、拔出閉合線圈的方法,根據(jù)靈敏電流計的電流方向和偏轉(zhuǎn)角度,來探尋“磁生電”的規(guī)律．上述實驗?zāi)M了法拉第探究感應(yīng)電流的實驗,實驗現(xiàn)象相對清楚,是眾多教師上課時的首選方案．但是在演示過程中,要處理好檢流計指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向的關(guān)系、線圈繞向與電流方向的關(guān)系,才方便觀察感應(yīng)電流的方向,學生對線圈中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)磁場方向的準確判斷還存在一定難度．

卡文迪許實驗室有一傳統(tǒng)就是:“用最平常的儀器做出最優(yōu)秀的成果才算真本事．”李政道曾說:“自己動手做的儀器,永遠比買的好,這是一條定理．”[2]本著這一信念,筆者從身邊的材料出發(fā),利用亞克力有機玻璃管、漆包線、彈力球、彩色LED貼片,設(shè)計了一種感應(yīng)電流產(chǎn)生器．結(jié)合LED燈片和數(shù)字化實驗設(shè)備,可以定性和定量地探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件、大小和方向的相關(guān)因素．本文就器材的制作和推廣使用作詳細闡述．

1 實驗教具示意圖

圖1所示為本教具的示意圖,由有機玻璃管(a)、銅漆包線繞制的螺線管(b)、LED發(fā)光二極管(c)、釹鐵硼強磁鐵(d)等部件組成．

圖1 實驗教具示意圖

2 實驗教具制作

圖2所示為器材原料:帶有螺帽的有機玻璃管(長70 cm)一根(a)、海綿保護套兩個(b)、橡皮彈球一個(c)、釹鐵硼強磁鐵一塊(d)、紅黃綠藍四種顏色的LED貼片8根(e)、直徑0.44 mm的漆包線若干米(f)．

圖2 器材原料

器材的制作步驟:將漆包線同向繞制180匝,與LED貼片串聯(lián)并貼在有機玻璃管上,左右對稱各繞四組．強磁鐵為釹鐵硼材質(zhì),該材料特點是磁性強但硬度小,在與螺帽相互撞擊時很容易損壞,對玻璃管傷害也比較大,所以用強力膠在玻璃管螺帽上粘貼彈力球,以保護磁鐵,如圖3(a)、(b)所示．

將磁鐵放入玻璃管中,擰緊螺帽,如圖3(c)所示．在玻璃管兩側(cè)套上塑料泡沫以保護玻璃管,實驗器材成品圖如圖3(d)所示．

(a) 切割彈力球 (b) 將彈力球粘貼到螺帽上

(c) 放入強磁鐵 (d) 實驗器材成品圖

3 教具使用方法

用途1:作為探究感應(yīng)電流條件引入新課的趣味實驗．

封閉玻璃管,以一定的速度來回晃動玻璃管中的磁鐵時,我們可以觀察到LED貼片發(fā)出了醒目的七彩光芒(如圖4)．

(a) 綠色LED貼片 (b) 藍色LED貼片

此實驗作為創(chuàng)設(shè)物理情境,物理現(xiàn)象比傳統(tǒng)的課本演示實驗更為明顯,更容易吸引學生的注意力,激發(fā)學生的興趣．學生也會產(chǎn)生疑問:明明沒有電源,為什么LED燈片可以發(fā)光?從而引導學生對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生原因做更深一步的探究,得到產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件．

用途2:探究影響感應(yīng)電流大小的因素．

將該實驗裝置與數(shù)字化實驗儀器串聯(lián),如圖5(a)所示,可以得到磁鐵通過一組線圈時線圈中電流變化的過程．如圖5(b)所示,是磁鐵N極向下自由落體運動通過螺線管時電流的圖像．觀察電流時間圖像可以得到:感應(yīng)電流的大小與磁鐵通過螺線管的速率有關(guān),不同的速率對應(yīng)磁鐵穿過螺線管的時間不同,磁鐵通過螺線管的時間越短,感應(yīng)電流越大．而磁通量變化量是一樣的,也就是說,磁通量的變化率越大,感應(yīng)電動勢越大．

從數(shù)字化信息采集處理系統(tǒng)(DIS)數(shù)據(jù)采集器得到的I-t圖像我們還可以看出,N極進入螺線管和S極離開螺線管產(chǎn)生的電流方向相反,這說明感應(yīng)電流的方向與磁場的方向有關(guān)．我們用S極進入螺線管,發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流方向與N極進入螺線管方向相反．說明感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化有關(guān)．通過多次實驗,可以得到這樣的結(jié)論,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流磁場磁通量的變化．

(a) (b)

用途3:定量分析感應(yīng)電動勢的表達式．

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,計算得到通過單組線圈的感應(yīng)電動勢為

LED貼片的額定電壓約為6 V,當改變匝數(shù)(如減少為100匝),或者改變運動的時間(如減慢磁鐵來回運動的速度),會發(fā)現(xiàn)LED貼片亮度的變化,甚至出現(xiàn)不亮的現(xiàn)象,不斷調(diào)整匝數(shù)和運動的時間,可以比較精確的計算出感應(yīng)電動勢的大小,從而得出法拉第電磁感應(yīng)定律的具體表達式．

本自制教具力求創(chuàng)設(shè)物理情境形成物理概念;提高學生科學思維的模型建構(gòu)和質(zhì)疑創(chuàng)新能力;本著提高科學探究能力,嘗試提出問題并作出合理的解釋,以達預期效果．