高中物理若干电磁学演示实验的探讨

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  摘 要:本文指出了演示实验的重要性,探讨了演示实验的内容、功能和效果:探究仪器结构,还原教材内容;改进实验方案,增加视觉冲击;质疑实验解释,消除学生疑惑;再现例题情景,突破教学难点;补充实验演示,提高思维品质。最后表达了对于演示实验的一些想法。
  关键词:高中物理 电磁学 演示实验
  演示实验是教师向学生演示的示范性实验,作用在于引导学生观察、思考和分析,以此来探究科学研究的过程,验证某一个科学结论,训练学生的某些思维品质,促进学生身心愉悦。课堂演示实验不可能发现新的科学事实和科学理论,但从学生角度出发,这些实验现象和结果就是新发现的[1]。观察与思辨是物理的生命力,演示实验对于培养观察与思辨能力都是极其重要的。
  “演示”、“做一做”、“科学漫步”、“思考与讨论”、“问题与练习”等栏目以及教材正文中所述物理史实、例题和仪器都是演示实验选择的范围。
  一、探究仪器结构,还原教材内容
  《物理选修3-1》第一章《静电场》章末“科学漫步”提到范德格拉夫静电加速器由范德格拉夫起电机和加速管组成。其中范氏起电机的结构示意图文中已出示,可以引导学生对照示意图研究实物(如图1)。电刷与传送带不接触,而与金属球壳相连,传送带与金属球壳也不接触,那么传送带怎样把电荷传给金属球壳呢?
  手摇感应起电机是静电实验中经常要用到的仪器,但它的结构和原理学生比较陌生。特别是它的两个“瓶子”,学生特别好奇。拆它一次,两个转盘为什么向相反方向转? “瓶子”里是什么?除了一根弹簧,啥都没有。它能装得下电?原来这个瓶子叫莱顿瓶,圆筒内外壁都涂上金属漆,中间塑料壳相当于电介质,这样就构成了电容器。为什么有些地方非常尖锐,有些地方则是球状的?两个圆筒所带的电为什么电性相反?(如图2)学生通过观察分析,很快能得到答案。
  静电计是一种特殊的验电器,它的金属壳和里面的指针之间相互绝缘,指针偏转角度能反映电势差大小,进而能反映带电多少。所以它相当于一个电容器。学生是半信半疑的,那就要测出它的电容,让学生心服口服。在金属壳与中间金属棒之间改成泡沫填充,电容又不一样了(如图3)
  二、改进实验方案,增加视觉冲击
  《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》课后“问题与练习”提到几个实验,可以适当改进,利用简易装置演示,可视性非常好。让矩形线圈两个输出端子用导线短路,形成闭合线圈。这样磁铁先动,线圈跟着动,对线圈来说是电磁驱动。让学生分析:对磁铁来说,是驱动还是阻尼?若让线圈先摆动起来,经过很长时间,才能停止,而让磁铁放在中间,线框很快就能停下(如图4)。对线圈来说是阻尼,对磁铁来说呢?同样一套装置,既可以演示电磁驱动,又可以演示电磁阻尼,从而让学生理解驱动和阻尼是相对来说的。
  用条形磁铁驱动水平金属圆环是很困难的。这是因为第一,条形磁铁磁性太弱;第二,金属圆环所受阻力太大;第三,金属圆环质量太大。所以作如下两种改进:用强磁铁驱动老版一角硬币(如图5);用强磁铁驱动竖直放铝环(如图6)。老版一角硬币不含铁磁性物质,不能被磁铁吸引,本身质量很轻。而把铝环竖直放,它将滚动,而滚动摩擦要远小于滑动摩擦,所以容易运动。
  而在平行金属导轨上放两根金属铜棒,形成閉合回路,用强磁铁插入拔出,铜棒也应该滚动,但铜棒却不动。分析不动原因如下:两根铜棒暴露过多,容易氧化,接触电阻较大;强磁铁插入拔出时,铜棒受到的安培力斜向下,从而增加正压力,也增大了摩擦阻力。为此作如下改进:用一根有塑料护套的铜导线代替其中一根铜棒,固定于导轨上,在接触处覆盖电工胶布,用强磁铁在靠近活动铜棒处插入拔出,此时铜棒所受安培力水平,就能滚动起来。
  用洛伦兹力演示仪演示带电粒子在磁场中运动,把摄像头放在演示仪正前方,在大屏幕上能非常清晰地观察到粒子做圆周运动。如果粒子不垂直入射磁场呢?从正面观察,它的运动轨迹任然是圆周。把演示仪从木箱中拆下来,观察结构,分析两个励磁线圈产生的磁场。把摄像头放在侧面,希望看到螺旋线。可惜太亮了,根本观察不到。木箱的作用是什么?不就是一个暗室吗?把演示仪又重新装回去。拆下木箱一个侧面的搬运用的“耳朵”,前盖盖上,摄像头放在“耳朵”边适当倾斜(如图7),就能展现很漂亮的螺旋线(图8)。再让学生分析螺旋线轨迹的形成原因。
  三、质疑实验解释,消除学生疑惑
  《楞次定律》课后“问题与练习”第6题,闭合的A铝环和断开的B铝环,用条形磁铁的任意一极靠近和远离它们,各会产生什么现象?《物理选修3-2教师教学用书》说明A环会运动,B环不会动,并且解释B环不是闭合回路,没有产生感应电流。然而,笔者用条形磁铁做,两个环都不动;而用强磁铁做,两个环都动,而且B环的运动幅度不比A环小。实际上,两个环都是用1厘米左右宽、2毫米左右厚的铝片卷制而成,A环和B环都有无数个“闭合回路”,都形成了涡流。也可以认为,不闭合铝环产生电动势,有电子不停的充电,形成充电电流。怎样改进呢?首先要选用较薄的铝片卷制,其次在B环中要多剪几个缺口,让涡流小一些。但这样A环与B环的条件相差太大了,失去对比的意义。实际上此时A环还是涡流起作用。
  《选修3-1》中《通电导线在磁场中受到的力》“做一做”栏“旋转的液体”,把导电液体当做电流,它受到安培力使液体转起来。把边缘到中心沿着半径方向的液体当电流?事实上,从漂在液体上的纸屑运动可以看出来,靠近中心的液体和靠近边缘的液体转动速度是不一样的。把这个演示实验来说明洛伦兹力不是更好吗?笔者还设想用它来模拟《选修3-2》中的电子感应加速器,用电磁铁代替永磁体,使纸片加速旋转。可是失败了。究其原因,要产生感生电场,电磁铁磁场就要变化,励磁电流就要变化。从实验者和仪器的安全考虑,仪器的励磁电流相对较小的,不能产生足够大的磁场。而励磁笔者加电流的过程时间太长了,不可能产生足够大的感生电场。更何况小纸屑不是粒子,受到的阻力相对来说非常大。   有教师在上《楞次定律》探究课时,用红绿两个发光二极管来代替灵敏电流表,这样原有圆形线圈不能使用,因为条形磁铁插入拔出都不能使二极管点亮。而改用强磁铁,其直径大于圆形线圈直径,根本无法插入。只好改用可拆变压器的方形线圈。但是此线圈有四个接线柱,绕线方向不明确,教师须费很大劲才能把绕线方向讲清楚,浪费很多宝贵时间。问题接踵而至,强磁铁磁性太强,容易把磁性较弱的条形磁铁磁化,能把N极和S极都吸住,只不过异名磁极吸引力大一点。这样就不能用條形磁铁检验强磁铁的磁极。用小磁针来检验也很麻烦,首先小磁针更容易被磁化,只有重新指南北才能分辨;其次强磁铁放在较远处,小磁针还是抖动厉害。还有,强磁铁很容易吸住四个接线柱,制造响声,分散学生注意力,楞次定律的探究课很难完成。而传统方案绕线清晰,磁极明确,电流方向可见度好得多。为什么要这样改进呢?演示实验不能为了改进而改进。
  四、 再现例题情景,突破教学难点
  《选修3-2》中《楞次定律》例题1(如图9),可用可拆变压器铁芯代替圆形铁芯,分别用发光二极管和灵敏电流计接输出端,演示原线圈直流电断开瞬间副线圈输出端的亮暗和电流变化(如图10)。铁芯要闭合良好,实验才能成功。
  有些磁铁所受安培力的习题中,很多学生表示难以理解磁铁也会受到力。在图11所示的题中要判断磁铁所受摩擦力方向和对地面压力变化。很多学生不能明确研究对象,无法对磁铁进行受力分析,感到无从下手。笔者设计了这样一个实验,在研究方形线圈在蹄型磁铁中所受安培力方向时,把蹄型磁铁换成小的,下端悬空,使之处于平衡的临界情况。当线圈受安培力作用,向外运动时,蹄型磁铁受反作用力,向后翻滚(图12)。
  五、补充实验演示,提高思维品质
  在研究电场时,很多学生对空间的这种客观存在持怀疑态度,这是一个符合青少年成长规律的。如果他一味接受教师的讲授,不去质疑强加于他的认识,那是教育的失败。教师的任务是让他从心底信服。例如利用辉光球产生的电场点亮部分日光灯管(如图13)。
  再例如在两块带电平行金属板之间乒乓球运动的实验中,涂复印机碳粉的乒乓球和包铝箔的乒乓球如图14所示,黑色球为乒乓球外涂碳粉,银白色球为乒乓球外包铝箔,从左至右依次是:刚起动,加速过程中,速度最快时。银白色球速度越来越快,到后来不能看清球本身,而黑色球还能看清。
  又例如带电棒吸引小纸屑,小纸屑会不停跳跃。那么剪下毛皮上的一小段毛,用带电棒吸引,细毛就不跳跃,为什么?细毛不是比小纸屑更轻吗?继续演示带电棒吸引长条形的小纸屑,它有时跳跃,有时不跳跃。经过分析,大家认为长条形的小纸屑碰到带电棒后带电不均匀,前部分带电,后部分可能不带电,导致前部分与带电棒带同种电荷要排斥,后部分要吸引,吸引力大于排斥力。
  在学习研究电磁驱动、电磁阻尼之后,笔者拿着手摇交直流发电机教室演示发电,学生们很兴奋,都想来摇,看谁能把小灯泡点得最亮。问题来了,电动机跟电磁驱动、电磁阻尼有关,发电机与驱动阻尼有什么关系?有学生马上发言:发电机把机械能变电能,电动机把电能变机械能,原理刚好相反,都有线圈,都有磁极。有学生经过思考,认为发电机和电动机可以相互改装。笔者把发电机的两块磁铁去掉(如图15),再让刚才摇过的学生来摇,让他们体会哪一个更费力。学生体会之后再适当引导,他们自然知道其中的奥妙了。
  六、关于演示实验的一些想法
  1.关于演示实验目标的想法
  不能为了演示实验而演示实验,不能一味标新立异。要让学生“玩”中“学”,“学”中“玩”。但不能在宝贵的课堂40分钟,花费太多时间。所以对于每一个演示实验,都要明白演示要达到的目标是什么。为了提高效率,教师在进课堂演示前必须进行事先实验,使自己心中有底。有些仪器,不同的实验可以反复使用,以缩短学生理解器材的时间,例如本文前述的矩形线圈,分别演示了安培力、安培力的反作用力、电磁驱动、电磁阻尼等四个实验。在一节课里,不要演示太多的实验,否则学生走马观花,热热闹闹,实际上没有进行有层次的思维活动。
  2.关于器材的选择
  实验仪器主要依托实验室,但要根据需要进行适当改进。教师们应集全教研组的智慧开发少数仪器。实验仪器的原理不要太复杂,否则学生不能理解仪器,更不要说去理解仪器所要说明的物理规律。而对于实验材料,教师平时要注意积累。铝箔、铜片、瓶子等等不起眼的物品有时候就非常需要。
  3.关于演示实验的选择
  教科书上各栏目出现的演示实验要尽可能做一做。对于一些习题,也适当用实验把现象和情景还原出来。老教材上和各种物理期刊上出现的演示实验,也应选择一部分做一做,例如:“电风”实验,静电除尘实验,日光灯实验等等。而对于一些原理较复杂、操作时间较长的演示实验则不宜在课堂上完成。例如密立根油滴实验、摇绳发电测电压等,建议整合到选修课中去做。
  4.关于实验手段和呈现方式的选择
  演示实验中数字化实验需要有一定比例,它有传统实验不能比拟的瞬间记录、瞬间数据处理、分析精确的优点。但不能什么实验都想用数字化来呈现。传统测量手段不能丢掉,“慢”的测量方式、不够精确的数据,更能让学生沉下心去分析思考。
  5.关于实验仪器质量的担忧
  一些条形磁铁在头上加一小块永磁体,这一小块永磁体很容易脱落,造成两根条形磁铁不管同名、异名都能相吸。一些激光笔的使用寿命和光的指向性远不如文具店购买的好。
  客观世界是物质的,认识是从物质开始的。“先物后理”,“摆物明理”都说明演示实验的重要性。教师应该认真研究演示实验,丰富演示实验的内容,挖掘演示实验的内涵,更好地服务于物理教学,更好地帮助学生建立认识论和世界观。
  参考文献:
  [1]李春密,顾江鸿.国外实验教学效果研究及其启示[J].物理教学探讨,2013,(5上):1-4
  [2]人教社课程教材研究所. 物理选修3-2教师教学用书[M].人民教育出版社,2010:21
  [3]人教社物理室. 物理必修加选修第二册[M].人民教育出版社,2003:133
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