中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求物理教師在教學(xué)中通過多樣化的教學(xué)方式，積極利用現(xiàn)代信息技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生直觀、嚴(yán)謹(jǐn)、自然地理解物理學(xué)的規(guī)律與知識(shí)[1]。教師在教學(xué)中應(yīng)該力求能做全定量實(shí)驗(yàn)不做半定量實(shí)驗(yàn)，能做半定量實(shí)驗(yàn)不做定性實(shí)驗(yàn)，能做定性實(shí)驗(yàn)不直接灌輸。這就要求一線教師既要善于利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材與生活中常見工具進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也應(yīng)該積極學(xué)習(xí)利用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)教材配套實(shí)驗(yàn)的不足，設(shè)計(jì)真實(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)、有效的實(shí)驗(yàn)探究，提升課堂實(shí)效。

1 重構(gòu)緣起

1.1 教材實(shí)驗(yàn)的缺失

法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理電磁學(xué)模塊的核心內(nèi)容之一，但是教材中并沒有提供定量的實(shí)驗(yàn)探究方案，只有“做一做\"的簡單定性實(shí)驗(yàn)。并且，在既沒有定量實(shí)驗(yàn)也沒有嚴(yán)格理論推導(dǎo)的情況下，直接給出了法拉第電磁感應(yīng)定律的表達(dá)式 。這種通過簡單定性實(shí)驗(yàn)就給出嚴(yán)格結(jié)論的方式，缺乏事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推導(dǎo)，不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

文章編號(hào)：1003-6148（2025）7-0060-6

1.2 已有實(shí)驗(yàn)的不足

朗威DISLab系統(tǒng)提供了兩套實(shí)驗(yàn)裝置，法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)器 1（LW_-Q812） 和法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)器2（LW-Q828）。前者驗(yàn)證感應(yīng)電動(dòng)勢和速度的關(guān)系E∞u，此方式屬于間接驗(yàn)證E△S后者驗(yàn)證感應(yīng)電動(dòng)勢和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率的關(guān) ，此裝置需要配合智能電源使用以獲得線性變化的磁場，不具有一般性。此外，朗威這套裝置也只能夠?qū)崿F(xiàn)半定量實(shí)驗(yàn)，即得到 E∝ 關(guān)系，并不能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐玫饺康腅=n 關(guān)系。

一線教師也開發(fā)了許多實(shí)驗(yàn)方案，與朗威提供的裝置類似，可以分為兩類。第一類為“變壓器法”[2-3]，通過智能電源或信號(hào)發(fā)生器使“原線圈”中產(chǎn)生均勻變化的磁場，進(jìn)而使“副線圈\"中產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動(dòng)勢，從而驗(yàn)證 ；第二類為“落磁法”，即利用磁鐵在重力作用下沿著管道或者軌道下滑[4]。測量感應(yīng)電動(dòng)勢與相對運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，驗(yàn)證 E∝v 的關(guān)系。“落磁法\"這類實(shí)驗(yàn)方式有個(gè)共性問題沒有說明，即如果是通過比較磁鐵穿過線圈時(shí)的峰值電動(dòng)勢與速度的關(guān)系，就需要明確峰值電動(dòng)勢對應(yīng)的是哪個(gè)時(shí)刻或哪個(gè)位置，與所測量的速度是否能夠?qū)?yīng)。同樣，這兩類實(shí)驗(yàn)方案也都只能實(shí)現(xiàn)半定量實(shí)驗(yàn)，得 關(guān)系，而不能得到全定量 的關(guān)系。

1.3 測量工具的制約

高中階段之所以鮮有全定量的法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)驗(yàn)，主要是因?yàn)闇y量工具的制約。全定量探究電磁感應(yīng)定律需要測量的物理量包括：感應(yīng)電動(dòng)勢、磁感應(yīng)強(qiáng)度、線圈有效面積以及其變化率等。市面上缺少能夠直接測量磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率和面積變化率的裝置，也沒有能夠直接測量磁通量和磁通量變化率的裝置，這些測量工具的缺失制約著一線教師進(jìn)行全定量的法拉第電磁感應(yīng)定律探究實(shí)驗(yàn)。為全面探究感應(yīng)電動(dòng)勢大小的影響因素，需要開發(fā)新的測量工具與測量方法解決磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率、線圈面積變化率以及磁通量變化率的測量難題。

2 突破方法

2.1 自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

基于ESP32與多傳感器融合技術(shù)，設(shè)計(jì)制作創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具—法拉第電磁感應(yīng)定律全定量探究演示儀，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。所有的測量數(shù)據(jù)通過微處理器ESP32模塊處理，處理結(jié)果由ESP32通過藍(lán)牙傳輸給手機(jī)端Phyphox軟件實(shí)時(shí)顯示。能夠?qū)崿F(xiàn)從“感生”“動(dòng)生\"到“一般”情況的法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究。裝置具體模塊功能與創(chuàng)新點(diǎn)如表1所示。

圖1裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1.水平底座；2.豎直支架；3.亥姆霍茲線圈；4.傳動(dòng)軸；5.線圈固定架；6.矩形線圈；7.導(dǎo)電滑環(huán)；8.軸承；9.聯(lián)軸器；10.角度傳感器固定支架；11.角度傳感器；12.ADC模塊；13.微處理器；14.霍爾傳感器）

圖2裝置實(shí)物圖

表1部件功能及創(chuàng)新點(diǎn)

2.2 巧測數(shù)據(jù)變化率

霍爾傳感器與角度傳感器的使用，解決了磁感應(yīng)強(qiáng)度與面積的測量問題，但是不能直接解決磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率與面積變化率的測量難題。本文使用的解決方法是，以平均值逼近瞬時(shí)值。以磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率為例，利用傳感器的高速測量特性，先連續(xù)測量三組數(shù)據(jù) （B₁，t₁）（B₂，t₂）（B₃，t₃） 利用微處理器計(jì)算 ，由于 t₃-t₁ 非常?。刂圃诤撩爰?jí)），因此可以用 的值表示t時(shí)刻的瞬時(shí)值。同理，借助角度傳感器可以測量計(jì)算出某時(shí)刻的線圈有效面積變化率以及線圈磁通量變化率。由此，利用多傳感器融合微處理器，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測量出某時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢、磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率、線圈面積變化率，解決了“落磁法\"的峰值對應(yīng)難題。

3 重構(gòu)教學(xué)

3.1 優(yōu)化教學(xué)流程

基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，對“法拉第電磁感應(yīng)定律\"教學(xué)流程進(jìn)行重構(gòu)。具體聚焦三項(xiàng)探究活動(dòng)展開，即探究感應(yīng)電動(dòng)勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系、探究感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈有效面積的關(guān)系、探究感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量的關(guān)系?；顒?dòng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3探究活動(dòng)設(shè)計(jì)流程

圖4 E-t 圖與 B-t 圖

3.2 突破關(guān)鍵環(huán)節(jié)

探究活動(dòng)一：探究感應(yīng)電動(dòng)勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。

利用自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，保持線圈的匝數(shù)和有效面積不變，改變亥姆霍茲線圈中的輸人電流，從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度。Phyphox端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢 E 隨時(shí)間 χ_t 的圖像，以及磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 隨時(shí)間 χ_t 的圖像，如圖4所示，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖像。

師：從圖像中你能得到什么結(jié)論？

生：電動(dòng)勢 E 與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 沒有直接的線性關(guān)系，但是可以定性地看出磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 變化越快的時(shí)刻電動(dòng)勢越大。

師：既然可以大致看出磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越快電動(dòng)勢越大，那如何表示磁感應(yīng)強(qiáng)度變化快慢呢？（可以引導(dǎo)學(xué)生回憶加速度的概念與定義）

生;可以定義磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率 ，變化率越大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越快。并且，當(dāng) Δt 取值很小的時(shí)候，就可以描述某時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的快慢了。

圖像，思考 圖像的斜率和哪些因素有關(guān)，并進(jìn)行深人探究，得到全定量關(guān)系。

師：這套裝置可以通過編程計(jì)算出 χ_t 時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率 如何演示感應(yīng)電動(dòng)勢E 與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率 的關(guān)系？

生：可以同時(shí)繪制出 E-t 圖 圖，通過比較兩幅圖的走勢是否相同，來驗(yàn)證是否有 E∝ 關(guān)系。還可以繪制 圖，通過觀察圖像是否有正比例關(guān)系，來驗(yàn)證是否存在 關(guān)系。

利用自制實(shí)驗(yàn)裝置，通過Phyphox同時(shí)輸出E-t 圖 圖以及 圖，如圖5所示。從圖中可以明顯地看到電動(dòng)勢E隨B 成正比關(guān)系。至此，通過初步實(shí)驗(yàn)探究，得到了電動(dòng)勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度的半定量關(guān)系。緊接著，引導(dǎo)學(xué)生觀察

師：請同學(xué)們猜測E-4 圖像的斜率和哪些因素有關(guān)系？怎么驗(yàn)證？

生：可能和線圈匝數(shù)、線圈有效面積有關(guān)。改變匝數(shù) n 和線圈有效面積 s ，多次實(shí)驗(yàn)，尋找斜率 K 與 n 和 s 的關(guān)系。

通過對圖像進(jìn)行線性擬合得到圖像斜率 K 。改變匝數(shù) n 和線圈有效面積 s ，多次實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，如表2所示。在誤差允許的范圍內(nèi)，E-△B圖像斜率 K=nS ，由此可以得到 的結(jié)論，完成對電動(dòng)勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系的全定量探究。利用自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)學(xué)生對復(fù)雜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分步驟拆分驗(yàn)證，通過從定性到半定量再到全定量的實(shí)驗(yàn)探究，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與尚實(shí)求真的科學(xué)態(tài)度。

表2線圈匝數(shù) n 有效面積 s 與 圖像斜率 K 的關(guān)系

探究活動(dòng)二：探究感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈有效面積的關(guān)系。

保持亥姆霍茲線圈的輸入電流不變，即磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，轉(zhuǎn)動(dòng)線圈改變線圈的有效面積，測量出感應(yīng)電動(dòng)勢 E 隨時(shí)間 χ_t 變化的 E-t 圖像，以及線圈有效面積 s 隨時(shí)間 χ_t 變化的 S-t 圖像，如圖6所示，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖像。有了“探究活動(dòng)一\"的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能夠快速找到實(shí)驗(yàn)規(guī)律，并且能夠想到接下來的實(shí)驗(yàn)探究方法與流程。通過 E-t 圖與 S-t 圖可以定性地看出有效面積 s 變化越快的時(shí)刻電動(dòng)勢越大。通過 E-t 圖 圖和 圖（圖7），可以得到 的半定量關(guān)系。對圖像進(jìn)行線性擬合得到圖像斜率 K ，并改變匝數(shù) n 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B ，多次實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)如表3所示，可以得到E=nB△S的 的全定量結(jié)論。利用自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，可以引導(dǎo)學(xué)生直接探究感應(yīng)電動(dòng)勢與線圈面積的關(guān)系，而不用間接探究感應(yīng)電動(dòng)勢與切割速度的關(guān)系，有利于提高學(xué)生對知識(shí)的深度理解。

圖6 ?_E-t 圖與 S-t 圖

圖7 E-t 圖 圖， 圖

表3線圈匝數(shù) n 、磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 與 圖像

斜率 K 的關(guān)系

探究活動(dòng)三：探究感應(yīng)電動(dòng)勢與磁通量的關(guān)系。

師：前面我們通過控制變量法探究了感應(yīng)電動(dòng)勢大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度以及線圈有效面積的關(guān)系。接下來，我們探究一般情況下感應(yīng)電動(dòng)勢和磁通量的關(guān)系，請問：磁通量如何測量？磁通量的變化快慢又如何測量？

生：磁通量 ?=BS ，可以先測量磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 和線圈有效面積 s ，通過計(jì)算得到磁通量 ? ；可以定義磁通量的變化率 當(dāng) Δ 取值很小時(shí)，就可以描述某時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度變化快慢了。

改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)線圈改變磁通量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，師生通過實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖像如圖8、圖9所示。

圖8 E-t 圖與 ?_-t 圖

圖9 E-t 圖 圖， 圖

教師：同理，我們先觀察 E-t 圖和 ?_-t 圖，再觀察 E-t 圖 圖和 圖。從這些圖像中你能得到什么規(guī)律？

生：電動(dòng)勢 E 與磁通量 ? 無直接線性關(guān)系，電動(dòng)勢E與線圈磁通量變化率 成正比。

師：E-4 圖像的斜率可能和什么有關(guān)？怎么驗(yàn)證？

生：和線圈的匝數(shù)有關(guān)，改變匝數(shù)多次實(shí)驗(yàn)尋找斜率 K 與匝數(shù) n 的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，相對百分比誤差在2% 以內(nèi)，由此可以全定量驗(yàn)證 。利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，學(xué)生可以全定量探究一般情況下感應(yīng)電動(dòng)勢和磁通量之間的關(guān)系，學(xué)生經(jīng)歷由特殊情況到一般情況的探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)精神。

表4線圈匝數(shù)n與E-4 圖像斜率 K 的關(guān)系

4結(jié)語

本文基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了對法拉第電磁感應(yīng)定律的全定量實(shí)驗(yàn)探究，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的法拉第電磁感應(yīng)定律教學(xué)中定量實(shí)驗(yàn)缺失的不足。利用自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)學(xué)生對復(fù)雜實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分步驟拆分驗(yàn)證，經(jīng)歷由特殊情況到一般情況、從定性到半定量再到全定量的探究過程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力與尚實(shí)求真的科學(xué)態(tài)度。嘗試由實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新重構(gòu)課堂教學(xué)，為教學(xué)提供新的視角與模式，提高了課堂教學(xué)實(shí)效。

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（欄目編輯 劉榮）