啟發式教學在物理設計性實驗課中的應用探究

啟發式教學是以學生為主體，教師為主導，通過提問、置疑、實驗演示、師生互動等方式引導學生獨立鉆研，使學生全面發展的一種教學方法。將其應用到設計性實驗教學中，可實現新課程標準所提出的知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀等教學目標。

“電動機原理”屬于中學物理設計性實驗，教學目的是觀察通電線圈在磁場中的運動，分析其原因，說明電動機轉子轉動的原理。下面以“電動機原理”教學為例，介紹如何在設計性實驗教學中應用啟發式教學法。

1 提出問題

引導學生觀察通電線圈在磁場中的運動，并分層次提出以下問題：

(1)電能生磁，磁也能生電，交流發電機是磁生電的裝置，那它是如何將磁轉化為電的呢？

(2)通電直導線在磁場中要受到安培力的作用，用左手定則就可判斷出安培力的方向，但線圈總的受力情況又是怎樣呢？

(3)通過實驗觀察可知，有的線圈可以在導體支架上連續轉動，有的線圈轉動后卻停留在平衡位置處，那么線圈連續轉動的條件又是什么呢？

2 理論分析

理論教學是本實驗的重點和難點。先提出問題：發電機為什么能發電？

由法拉第電磁感應定律可知電路中感應電動勢ε的大小與穿過閉合回路的磁通量的變化率成正比，即

ε=-NΔΦΔt（1）

其中，N為線圈的匝數。

在磁感應強度為B的均勻強磁場中放一平面線圈，位置如圖1所示。線圈與磁場方向的夾角為θ，磁通量

Φ=BScosθ（2）

其中磁感應強度B、平面線圈面積S、面法線方向和磁場強度方向的夾角θ均可變化，所以磁通量的改變量可寫為

由式（4）可知，當B與S不變時，只改變θ角也可在線圈中產生感應電動勢。發電機是通過外力使線圈在磁場中旋轉，改變θ角來發電的。如水電站就是通過水的沖力使渦輪機帶動發電機的轉子使線圈在磁場中相對轉動，θ角發生變化，使線圈中產生出感應電動勢，從而向外電路提供電流，實現發電。

能否再將電流轉化為電動機轉子的轉動呢？

實驗觀察：將一通電的邊長為L的正方形線圈放于磁場中，會發現線圈要轉動，這又是什么原因呢？線圈能轉動，它一定是受到了力矩的作用。力矩是哪個力產生的呢？是安培力嗎？磁場中通電直導線所受安培力

當線圈處于圖2所示的位置時θ<0 (規定法向矢量位于圖2中的前半平面時與B正向夾角θ為負，反之為正；-π<θ<π )，在力偶矩M<0 的作用下線圈沿逆時針(俯視)方向開始轉動，當θ變為零時M=0 ，線圈因慣性仍繼續轉動，使得θ>0 ，隨之力偶矩M>0，線圈在M>0 的作用下減速轉動，直到轉速變為零。仍在M>0 的作用下，線圈開始順時針轉動，并通過平衡位置，使得θ<0。這樣線圈就在變力矩的作用下圍繞θ=0 的平衡位置作振動，受阻尼影響線圈最后將停在θ=0 的位置處。怎樣才能讓線圈持續轉動呢？

這就需要在θ>0 時讓電流反向或為零，即須制作一個換向器。為簡便起見，讓θ>0 時斷開回路中的電流，使線圈在由慣性得到的轉動中不受安培力矩作用，仍保持原有的轉動狀態，當θ=π 時，再接通回路，線圈又重新受到力矩M<0 的作用而繼續轉動。如此循環，線圈就可以持續不斷地轉動。直流電動機正是利用這一原理來制作換向器，從而實現轉子連續地轉動。

如何制作換向器呢？

如圖3所示，將線圈一端用漆包線連接，且漆包線一半導通，一半絕緣，線圈另一端用去掉所有絕緣漆的裸線連接。讓線圈在-π<θ<0 的時候回路導通，而在0<θ<π 時回路中斷，這樣就可實現線圈的連續轉動。

3 實驗探索

實驗是在人工控制條件下，使物理現象可重復出現，供學生觀察的行為。通過實驗，學生很容易理解物理概念、了解物理規律、提高動手能力、產生對物理的濃厚興趣。由于“電動機原理”屬于設計性實驗，中學實驗室一般沒有常規的實驗儀器，這就要求教師具有制作實驗器材的能力，自制一些教學儀器。

3.1 制作工藝

將準備好的永久磁鐵、包有絕緣漆的銅絲(漆包線)、細鐵絲、繞制線圈的正方形模具和圓形模具放于實驗桌上。教師帶領學生繞制線圈、制作導體支架的主要過程如下：

首先取出正方形模具或圓形模具，把事先準備好的漆包線繞在模具上，繞10至15匝，如圖4（a）所示。從模型上取下線圈，并用線圈接口處多余的漆包線固定線圈。接著將線圈一端用一半導通，一半絕緣的漆包線連接；線圈另一端用去掉所有絕緣漆的漆包線連接，實驗所用的“轉子”就做好了。當然學生還可繞制沒有換向器的“轉子”，也可按不同的模具繞制不同形狀的線圈。

接下來用細鐵絲按照圖4(b)所示制作導體支架。在制作過程中，兩支架間的距離應略大于線圈的直徑或長度。為了使線圈在轉動中不碰到永久磁鐵，支架的高度要略大于線圈的半徑與永久磁鐵厚度的總和。

3.2 實驗教學

實驗器材：自制的線圈與導體支架、永久磁鐵、導線、直流電源和開關。

實驗內容：此實驗主要是讓學生完成儀器的制作與組裝，并通過所學物理知識設計該實驗，觀察實驗現象，對物理概念和規律進行總結。

實驗分組：三人一組，分別完成線圈繞制、支架制作和組裝工作。

實驗步驟：

(1)將導體支架固定在表面絕緣的實驗桌上，并用導線將電源、開關、導體支架按圖5連接起來。

(2)將線圈放在導體支架上，并將永久磁鐵置于線圈的正下方。

(3)閉合開關，讓學生觀察實驗現象。

(4)斷開開關，換其它形狀的線圈進行實驗。

在學生做實驗時，教師可以將前面所提問題和理論分析簡略地重復一遍，讓學生帶著疑問做實驗。通過實驗直觀地再現物理現象，使能學生在實驗中尋找樂趣，加深對理論知識的理解，激發學習物理的興趣。比如觀察沒有換向器的線圈的轉動，觀看線圈是振動還是停留在平衡位置不動？為什么？

3.3 總結提高

由于采用了啟發式教學，學生易懂易學，95%以上的實驗小組都能完成實驗儀器制作、實驗觀察并寫出實驗報告。實驗完成后還要注意總結與提高。

總結：通電線圈在磁場中受到安培力的作用，它們為非共點力，這些力使線圈受到一力偶矩的作用，在力偶矩的作用下線圈圍繞固定軸轉動。

提高：電動機發生轉動，必然存在能量的轉化。那么，電動機轉動過程中是哪些能量在相互轉化呢？

參考答案：水電站是利用水的沖力來發電，它是將水的機械能轉化為電能。火電站是將煤炭燃燒所產生的一部分熱能轉化為電能。而電動機的能量轉化卻是將電能轉化為機械能。詳細的物理過程有待于同學們去學習與探索。

4 結論

啟發式教學在“電動機原理”設計性實驗中的應用實踐說明，堅持以學生為主體，教師為主導，通過提問、質疑、實驗演示、師生互動等方式引導學生獨立鉆研的啟發式教學方法，確實是一種能使學生全面發展的好方法，將其應用到設計性實驗教學中，就可以培養學生的創新能力，把新課程標準所提出的教學目標落到實處。

(欄目編輯趙保鋼)

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