項浩原 謝祿橋 陳泓宇 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

物理是在實驗的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的學科，物理知識與實驗密不可分.在實際的教學中，運用實驗進行教學不僅可以直觀地對物理現(xiàn)象進行觀察，還可以培養(yǎng)學生運用物理知識解釋物理現(xiàn)象和知識遷移的能力.合理運用實驗，可以幫助學生養(yǎng)成良好的建模思維，在自身頭腦中進行知識的建構(gòu)[1～3].

演示實驗一般是教師在課堂的講桌上演示實驗現(xiàn)象，以此幫助學生直觀理解物理概念和規(guī)律.在中學教學中，課程任務(wù)較為緊張，教師進行實驗是以演示實驗為主.一般來說，傳統(tǒng)的實驗演示有以下幾個缺點：元件多且重復(fù)，占用的空間大，現(xiàn)場連接線路容易出故障等.雖然市場上也有一些集成化教具可供購買，但有些設(shè)備集成化過高，有些實驗原件處于“黑箱”中，學生無法直接觀察，較難理解.另外，市場上的儀器成本也較高.針對以上問題，本文創(chuàng)新設(shè)計制作了一個集成化電磁學演示實驗教具，該教具集成了5個實驗，儀器連接簡單易懂，制作成本低，適用于中學物理課堂使用.

2 演示實驗教具的設(shè)計

2.1 教具的制作意義

本教具的制作意義體現(xiàn)在兩個集成化.

第一個集成化是演示實驗的集成化.電磁學實驗中，很多演示實驗都具有相同的儀器構(gòu)造.例如，探究安培力的影響因素、互感現(xiàn)象的演示、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示、電磁阻尼現(xiàn)象等都需要用到線圈和磁鐵.如果單獨進行實驗，教師需要另外在實驗室中組合儀器，再進行必要的裝配，既費時也費力.

因此，將多個具有共同儀器的實驗整合在一個教具中可以節(jié)省教師的備課時間和精力，提高實驗材料的重復(fù)利用率，從而促進實驗在物理教學中的滲透.

第二個是實驗使用說明與實驗儀器集成化.制作立體說明書，即集文字、圖片、視頻為一體的立體化實驗說明書.對照儀器錄制實驗操作說明視頻和案例使用視頻，方便教師和學生快速學會實驗操作，最大化發(fā)揮物理實驗的作用.

2.2 教具的設(shè)計

根據(jù)電磁學的實驗儀器和原理，本教具整合了5個電磁學實驗.分別為電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗演示、安培力的演示、互感現(xiàn)象的演示、電動機與發(fā)電機模型演示、電磁阻尼現(xiàn)象演示.實驗原理圖設(shè)計如圖1所示.教具所要用到的材料有：120匝線圈2個、U型磁鐵2個、正方形強磁鐵4小塊、三極管、發(fā)光二極管、電流計、3 V電源1個、開關(guān)6個、1 kΩ電阻1個.

圖1 教具設(shè)計的電路圖

從原理圖中可以看出，電路中有6個開關(guān)，分別控制不同的支路.設(shè)計的理念是通過不同的開關(guān)閉合實現(xiàn)演示不同實驗的功能.

為了方便教師進行操作，以及儀器的美觀，對線路進行了重新布置，將開關(guān)集合到了下面一排，教具的布線圖如圖2所示.

圖2 教具設(shè)計的布線圖

2.3 教具的制作

根據(jù)設(shè)計圖，制作了如圖3所示的集成化演示實驗教具.

圖3 教具實物圖

線圈由兩條導線接通，可在U型磁鐵中前后擺動，左側(cè)為電流計和電源，右側(cè)線圈上方的架子上固定了發(fā)光二極管.強磁是為了加強U型磁鐵的磁性，使現(xiàn)象更加明顯，三極管可以使線圈中產(chǎn)生脈沖電流.

在實際教學中，教師可以根據(jù)自己的需求，通過閉合開關(guān)來演示不同的實驗.

3 在教學中的應(yīng)用

實驗1：電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示

實驗電路圖：在做電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗時，等效電路圖如圖4所示.

圖4 閉合S1 時的等效電路

實驗操作：閉合開關(guān)S1，斷開其余開關(guān)，將左側(cè)線圈上升到一定高度后放手，使其擺動起來.

實驗現(xiàn)象：在線圈擺動的過程中，電流計的指針不停地左右擺動.

實驗原理：閉合線圈在磁場中做切割磁感線運動，會產(chǎn)生感應(yīng)電流.

教學中的應(yīng)用：可以讓學生直觀觀察到感應(yīng)電流的產(chǎn)生，作為電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示實驗；還可以利用其探究影響感應(yīng)電流方向的因素——通過改變線圈的切割方向或磁場的方向，觀察感應(yīng)電流的方向，探究感應(yīng)電流方向的影響因素.

實驗2：安培力演示

實驗電路圖：在做演示安培力的實驗時，等效電路圖如圖5所示.

圖5 閉合S2時的等效電路

實驗操作：閉合開關(guān)S2，斷開其余的開關(guān)，觀察左側(cè)線圈的運動情況.

實驗現(xiàn)象：線圈會受力運動.

實驗原理：通電線圈在磁場中會受到力的作用.

教學中的應(yīng)用：可以讓學生直觀地看到通電線圈在磁場中受力運動，得出通電導線在磁場中會受到安培力的作用的結(jié)論；還可以利用其探究影響安培力方向的因素——通過改變磁場方向或電流的方向，觀察線圈的受力運動方向，探究影響安培力方向的因素.

實驗3：互感現(xiàn)象演示

實驗電路圖：在做互感現(xiàn)象的演示實驗時，等效電路圖如圖6所示.

圖6 閉合S2和S3時的等效電路圖

實驗操作：閉合開關(guān)S2和S3,將左側(cè)線圈和右側(cè)線圈相互靠近，觀察右側(cè)線圈上方發(fā)光二極管的現(xiàn)象.

實驗現(xiàn)象：發(fā)光二極管會亮起來.

實驗原理：兩個線圈之間沒有導線相連，但當一個線圈中的電流變化時，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.這種現(xiàn)象叫作互感，這種感應(yīng)電動勢叫作互感電動勢.

教學中的應(yīng)用：可以用于互感現(xiàn)象的演示實驗或新課的引入實驗，也可用于驗證感生電動勢的產(chǎn)生.

實驗4：電動機與發(fā)電機原理演示

實驗電路圖：在做電動機與發(fā)電機原理演示實驗時，等效電路圖如圖7所示.

實驗操作：閉合S4和S5，斷開其余開關(guān)，將左側(cè)或右側(cè)線圈提升到一定的高度后放手，使其擺動，觀察另外一個線圈的運動情況.

實驗現(xiàn)象：另外一個線圈也會擺動起來.

實驗原理：在磁場擺動其中一個線圈，由于電磁感應(yīng)，會在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，另一個線圈中有電流通過，在磁場中會受到力的作用，從而跟著擺動起來.

圖7 閉合S4和S5時的等效電路圖

教學中的應(yīng)用：可以用作發(fā)電機和電動機的原理演示，也可以用于能量守恒定律的示例實驗.

實驗5：電磁阻尼演示實驗

實驗電路圖：在做電磁阻尼演示實驗時，等效電路圖如圖8所示.

圖8 閉合S6時的等效電路圖

實驗操作：閉合開關(guān)S6，將兩個線圈提到相同的高度后放手，讓兩個線圈同時擺動起來，觀察兩個線圈的運動情況.

實驗現(xiàn)象：右側(cè)線圈先停下來，左側(cè)線圈擺動時間較長.

實驗原理：當導體在磁場中運動時，感應(yīng)電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼.

教學中的應(yīng)用：可用于電磁阻尼的實驗演示.

在新課教學中運用演示實驗進行教學可以引起學生的注意力，還有利于學生模型建構(gòu)思維的發(fā)展，學生通過直觀現(xiàn)象在頭腦中建構(gòu)自己的記憶表象，加深圖像信息與物理知識的聯(lián)系，有助于學生對知識的理解與記憶.

以上實驗還可以在復(fù)習課中進行演示，讓學生畫出電路圖，說出實驗原理，鞏固學生的基礎(chǔ)知識.另外，將實驗整合在一起還能幫助學生了解知識之間的邏輯關(guān)系，從整體上把握教材知識.

4 總結(jié)與展望

通過對電磁學的幾個實驗的整合，證明集成化演示教具的設(shè)計制作是實際可行的.將多個演示實驗進行整合，利用開關(guān)進行實驗演示的選擇，可以滿足教師實際需求，減輕教師的備課負擔，落實中學物理的實驗教學.

教師要重視實驗在物理教學中的地位，善于利用身邊的實驗材料，制作能夠幫助學生發(fā)展核心素養(yǎng)的教具.多思考實驗整合的可能性，設(shè)計出更多能夠演示不同實驗的教具，為中學物理實驗教學帶來便利.