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        創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置 培養(yǎng)探究能力
        ——定量探究影響通電導(dǎo)線受力的教學(xué)改革

        2021-05-14 08:57:18范旭
        物理教學(xué)探討 2021年4期
        關(guān)鍵詞:磁場(chǎng)導(dǎo)線受力

        范旭

        遵義市第二中學(xué),貴州 遵義 563000

        1 引言

        2018年教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) (2017 年版)》[1](以下簡(jiǎn)稱 《新課標(biāo)》),《新課標(biāo)》明確提出:物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程,旨在落實(shí)黨的十八大提出的“立德樹人”根本任務(wù),進(jìn)一步提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng),為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ),促進(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會(huì)的發(fā)展;物理實(shí)驗(yàn)是觀察、操作和思維互為影響的活動(dòng)過程,尤其創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不僅是獲得知識(shí)、方法的手段,也是學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的體現(xiàn),因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。

        人教版高中物理選修3-1[2]第三章《磁場(chǎng)》的“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)課中,通過演示實(shí)驗(yàn)探究通電導(dǎo)線所受的安培力的影響因素(圖1),以此來尋找描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)中,采用控制變量法定性分析通電導(dǎo)線受力F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L、導(dǎo)線中的電流I的關(guān)系。但由于蹄形磁鐵周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱,并且只有一條通電導(dǎo)線,實(shí)驗(yàn)時(shí)通電導(dǎo)線的擺角不明顯,實(shí)驗(yàn)效果不理想,不利于學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的構(gòu)建和理解。

        圖1 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

        基于以上分析,筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn),利用現(xiàn)代傳感器測(cè)量技術(shù),將實(shí)驗(yàn)由定性觀測(cè)改為定量研究,使實(shí)驗(yàn)可控性、可視性和科學(xué)性都得到了很大的提高,有助于學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度這一物理觀念的構(gòu)建和理解,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的物理思維,也提升學(xué)生定量分析問題的能力。

        2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

        (1)實(shí)驗(yàn)器材

        鐵架臺(tái)(1 個(gè))、自制線圈(1 個(gè))、強(qiáng)磁鐵(1~2個(gè))、電源(1 個(gè))、開關(guān)(1 個(gè))、滑動(dòng)變阻器(1個(gè))、電流傳感器(1 個(gè))、靜力傳感器(1 個(gè))、數(shù)據(jù)采集器(1 個(gè))、電腦(1 臺(tái))、數(shù)據(jù)傳輸線(3 條)、導(dǎo)線若干。

        (2)實(shí)驗(yàn)原理

        利用控制變量法研究通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的因素(圖2):

        圖2 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

        ①利用靜力傳感器測(cè)出通電導(dǎo)線的受力F;②利用滑動(dòng)變阻器控制導(dǎo)線中的電流I;③利用線圈匝數(shù)n控制導(dǎo)線長(zhǎng)度L;④利用電腦處理數(shù)據(jù)。

        3 教學(xué)設(shè)計(jì)

        教學(xué)片斷——探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

        【教師活動(dòng)1】(提出問題)剛才我們定性分析了磁場(chǎng)對(duì)放入其中的導(dǎo)線有力的作用,請(qǐng)大家猜想這個(gè)力的大小與哪些因素有關(guān)呢?

        【學(xué)生活動(dòng)】(猜想與假設(shè))思考并回答,磁場(chǎng)、電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度……

        設(shè)計(jì)意圖通過引導(dǎo),讓學(xué)生思考通電導(dǎo)線受力的影響因素,并讓學(xué)生大膽猜測(cè)和假設(shè),為后面科學(xué)探究通電導(dǎo)線受力的影響因素做準(zhǔn)備。

        【教師活動(dòng)2】(理論推導(dǎo))回答得很好,磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度都可能影響通電導(dǎo)線的受力,那當(dāng)我們遇到多因素(多變量)的問題,該怎么辦呢?

        【學(xué)生活動(dòng)】思考并回答,用控制變量法來研究。

        【教師活動(dòng)】非常不錯(cuò),物理學(xué)中對(duì)于多因素(多變量)的問題,常常采用控制變量法來研究。我們先控制磁場(chǎng)不變,研究導(dǎo)線長(zhǎng)度L和導(dǎo)線中的電流大小I對(duì)通電導(dǎo)線受力F的影響。

        設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生體會(huì)控制變量法在實(shí)驗(yàn)探究中的重要作用。

        【教師活動(dòng)3】 (理論推導(dǎo))首先控制磁場(chǎng)和通電電流I不變,研究導(dǎo)線的受力F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系。假設(shè)此時(shí)磁場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(dǎo)線作用力為F,如果相同情況下,長(zhǎng)度變?yōu)?L呢?此時(shí)的力是多少?請(qǐng)思考回答。

        【學(xué)生活動(dòng)】思考交流并回答,力為2F。因?yàn)殚L(zhǎng)度為2L時(shí),我們可以等效成2段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線串聯(lián),每段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線受力為F,合力應(yīng)為2F。

        【教師活動(dòng)】對(duì),長(zhǎng)度L加倍,力F也加倍,說明 B、I一定時(shí),F(xiàn)∝L。

        【教師活動(dòng)】同理,若控制磁場(chǎng)和導(dǎo)線長(zhǎng)度L不變,研究通電導(dǎo)線受力F與通電電流I的關(guān)系。假設(shè)電流為I的通電導(dǎo)線受力為F,如果相同情況下,通電電流變?yōu)?I時(shí),導(dǎo)線受力為多少?和上面的結(jié)論相同嗎?請(qǐng)思考回答。

        【學(xué)生活動(dòng)】思考交流并回答,通電導(dǎo)線受力也為2F。可以將通電導(dǎo)線的電流2I等效成2條電流為I的相同導(dǎo)線并聯(lián),每條導(dǎo)線受力為F,兩條導(dǎo)線受力就是2F。

        【教師活動(dòng)】非常好,電流I加倍,力F也加倍,說明 B、L 一定時(shí),F(xiàn)∝I。

        設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生理論推導(dǎo)F與L、I的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理的能力,也為后面的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

        課件如圖3所示。

        圖3 課件展示

        【教師活動(dòng)4】(實(shí)驗(yàn)探究)同學(xué)們,我們邏輯推理出,B一定時(shí)F∝I,F(xiàn)∝L。是不是這樣的呢?下面我們用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證:

        (1)介紹實(shí)驗(yàn)儀器及原理、連接實(shí)驗(yàn)電路,并調(diào)試好電腦采集數(shù)據(jù)(首次使用電腦要先安裝傳感器驅(qū)動(dòng)程序)。

        (2)初始調(diào)零:閉合開關(guān),觀察傳感器是否采集到數(shù)據(jù),然后斷開開關(guān)并調(diào)零讀數(shù)。

        (3)利用控制變量法探究:

        導(dǎo)線受力F和導(dǎo)線中的電流I、導(dǎo)線長(zhǎng)度L(匝數(shù)n)的關(guān)系:

        ①電流I一定,探究F與L(n)的關(guān)系(表1、圖 4)。

        圖4 F與L的關(guān)系圖(I一定)

        表1 I=0.2 A,分析F與L的關(guān)系

        ②長(zhǎng)度L(n)一定,探究F與I的關(guān)系(表2、圖 5)。

        表2 L=150匝,分析F與I的關(guān)系

        圖5 F與I的關(guān)系圖(L一定)

        (4)歸納實(shí)驗(yàn),得出結(jié)論

        k表征的是與F、I和L無關(guān)的量,這個(gè)量就是磁場(chǎng)的強(qiáng)弱(即磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小)。

        4 總結(jié)反思

        本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn):(1)強(qiáng)磁鐵(釹鐵硼磁鐵)替代蹄形磁鐵;(2)多匝線圈替代直導(dǎo)線;(3)直接測(cè)量力F替代導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)反映F的大??;(4)增加DIS數(shù)字化探究?jī)x器(力學(xué)傳感器、電流傳感器)和多媒體結(jié)合輔助完成實(shí)驗(yàn)。

        改進(jìn)后的教學(xué)效果非常好:(1)實(shí)驗(yàn)更具有可控性,可定量測(cè)出導(dǎo)線中的電流I、導(dǎo)線的受力F和長(zhǎng)度 L(匝數(shù) n);(2)實(shí)驗(yàn)更具有可視性,由電腦反映相關(guān)讀數(shù),并可投影到大屏幕上,讓更多學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中來;(3)實(shí)驗(yàn)更具有示范性,可由教師演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親自動(dòng)手,體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂趣;(4)實(shí)驗(yàn)更具有科學(xué)性,改教材上“分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后人們認(rèn)識(shí)到”為定量研究直觀得出結(jié)論(物理邏輯更強(qiáng));(5)實(shí)驗(yàn)更具有創(chuàng)新性,讓傳統(tǒng)教學(xué)與當(dāng)代技術(shù)相結(jié)合,讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理更便捷;(6)實(shí)驗(yàn)更具有啟發(fā)性,物理源自生活,該實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫丶ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,特別是DIS數(shù)字化工具的使用,為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)、生活打下基礎(chǔ)。

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