還原歷史本來面目 展示科學探究魅力——談“電磁感應”的教學設計

雷三林

(浙江省安吉縣昌碩高級中學,浙江 安吉 313300)

筆者充分尊重運用史實,對“電磁感應”進行了教學設計并實踐,聽課學生、教師普遍有耳目一新的感覺,受到他們的認可和好評.

設計思想:秉承素質教育的精神,以史為鑒,充分利用科學史料,向學生展現科學歷程,習得科學方法,領悟科學精神,建立科學發展的價值取向.

教學模式流程圖(見圖1).

圖1

1 回顧歷史 創設情境

師:19世紀工業革命席卷了整個歐洲.歐洲科學的發展走在了整個人類的前列.1800年意大利科學家伏打(展示伏打照片)制造了伏打電堆(利用化學原理),第一次使人類獲得了持續電流.伏打電堆能夠提供持續電流,但造價高、電流微弱.人們想有沒有其他產生電流的方法呢？1820年丹麥科學家奧斯特(展示奧斯特照片)發現電流可以產生磁場.這個發現震動了整個科學界.

教師演示重現奧斯特實驗.

教師質疑:電能生磁,磁能生電嗎？

2 重演歷史 合作探究

1821年,法拉第(展示法拉第照片)同樣思考了這個問題.

(1)初步探究.

師:如果你是當時的法拉第,你會做什么樣的實驗來驗證這個猜想呢？

生:用一個閉合的電路,旁邊放上磁鐵,用電流表測電路有沒有電流產生.

(教師實驗演示,結果失敗)

教師介紹當時法拉第的想法:用通電螺線管感應出電流.結果同樣失敗了.

法拉第進行了其他很多的嘗試,都遭遇了失敗.在日記中寫下了“毫無反應”、“不行”等詞語,記錄了當時艱辛的探索.但法拉第說:“如果實驗不能成功,只能說明我還不善于處理它.就是實驗不能成功,也應該找出它的原因來.”有一個時期,他的背上總背著一個電磁線圈模型,一有空他就拿出來比劃琢磨(圖2).

圖2

圖3

終于有一次他冒出了這樣的想法:把線圈A與電源、開關、導線串聯,線圈B引出導線形成閉合回路.旁邊放一個小磁針.閉合或斷開開關時,如發現小磁針偏轉,則說明有感應電流產生.(圖3)

教師演示法拉第當年實驗.學生說出觀察到的現象:閉合或斷開開關時,發現電流表指針偏轉.

教師追問:電流穩定時呢？

生:不會偏轉.(觀察實驗)

1831年的8月29日,法拉第終于發現了感應電流,經歷了整整10年的探索.那我們不禁要想:為什么他前面的實驗會失敗呢？

(2)進一步實驗.

生1:可能是開始沒鐵芯？

教師去掉鐵芯,演示實驗.依然有感應電流.

生2:是否有可能是電生電啊？不一定是磁生電？

教師用磁鐵插入線圈,演示實驗.依然有感應電流.

教師總結:控制原電路電流有無能夠產生感應電流;將條形磁鐵插入和拔出螺線管能夠產生感應電流.它們的共同點是什么在變化？

生:磁場.

師:這樣我們就明白了為什么感應電流總是產生在開關閉合、斷開瞬間,因為那個瞬間磁場發生了變化.

(3)拓展思考.

師:這10年間其他的科學家有沒有一些發現呢？

生:克拉頓當年用條形磁鐵插入、拔出線圈也做過類似實驗.為了防止小磁針被條形磁鐵磁化,他把小磁針和線圈放在兩個房間,他把磁鐵插入線圈后再跑到另一房間看小磁針是否偏轉.當他跑到另一個房間的時候,小磁針已經不偏轉了.結果,他沒有發現電磁感應現象.

教師在表示惋惜時問:有沒有辦法挽救啊？

生:找個助手在另一個房間看就行了.

教師感慨:為什么他不找呢？

生:他不知道會發生在閉合、斷開瞬間啊！

師:貝弗里奇說過“做實驗的時候,如果我們僅注意那些預期的事物,就很可能錯過意料之外的現象.而這些現象,盡管開始時令人不解,卻最可能導致意想不到的重要事實的發現.”

3 形成規律 總結提升

(1)初步結論.

1831年11月法拉第在向英國皇家協會遞交的實驗報告中第一次提出了電磁感應現象的定義:置于磁場中的閉合電路因磁場變化而在電路中產生電流的現象叫做電磁感應現象.

(2)提出新概念.

學生總結感應電流產生的各種情況:①變化的電流;②運動的磁體;③變化的磁場;④磁場中運動的導體;⑤運動的穩恒電流(法拉第當年補充).

師:開始電磁感應現象就是這樣描述的.但一個物理結論這樣敘述好嗎？為什么？

生:不好,不夠簡潔.

師:我們知道物理學有簡單、普適之美,一定可以從紛繁的物理現象中找到統一性進行概括.物理學每遇到新問題就會促使新概念的產生.請大家看圖片4.

由于兩線圈處磁場強弱不同穿過它們平面的磁感線條數也不同.我們定義物理學一個新概念——磁通量.

穿過閉合電路磁感線的多少叫穿過這個閉合電路的磁通量.

圖4

圖5

請學生判斷圖5中磁通量的大小變化.上圖圓形彈性線圈收縮,下圖矩形線圈在旋轉.

師:有了磁通量的概念,大家猜想穿過這個閉合電路的磁通量怎么樣就可以產生感應電流呢？

生:變化.

師:那我們就試試從這個角度解釋上面的5種情況.

教師展示圖片6(運動的磁體)、展示圖片7(磁場中運動的導體),請學生解釋,強調哪個構成閉合回路.

師:我們成功解釋了運動的磁體、磁場中運動的導體產生感應電流的情形,那么變化的電流、變化的磁場、運動的穩恒電流呢？我們自己實驗并解釋.

學生實驗操作并解釋看到的現象.

學生總結:不管什么原因,只要穿過閉合回路的磁通量發生變化,該回路就一定有感應電流產生.

圖6

圖7

4 聯系生活 運用規律

(1)結合生活.

師:我們身處在地磁場之中,如圖8.能否利用地磁場發電呢？如果能,也說明了地磁場的存在啊！

教師拿出導線繩和電流表構成閉合回路,請學生思考怎么樣才能發電呢？

生:搖繩！

師:那我們試試吧.學生上下、左右搖繩實驗.

圖8

(2)結合生產.

師:地磁場很微弱,雖然產生了感應電流,但能讓燈泡發光嗎？

生:不能.

師:想要有實際應用價值,那怎么辦呢？

生:增強磁場.

教師拿出發電機模型,與電流表連接,搖動手柄演示(圖9).教師展示世界上第一臺發電機的圖片(圖10).

法拉第做此實驗時,當時在場的一位貴婦人取笑他:“先生,你發明這個玩意有什么用呢？”法拉第平靜地問:“夫人,新生的嬰兒又有什么用呢？”

后來,這個新生的嬰兒成長為巨人,開辟了我們電氣化時代.我們今天享受電給我們帶來各種便利的時候,不能忘記了這位偉大的科學家.

圖9

圖10

5 實踐后的體會和幾點建議

利用史學內容創設問題情境,發展學生獨立思考和判斷的能力,這樣的教學模式能達到以下幾個效果.

(1)可以讓學生發現:物理概念是科學家們為了描述規律方便人為引入的,而不是先天存在的.是可以為他們理解、接受、運用的,甚至他們也可以自己定義概念.

(2)可以讓學生體會:成功的經驗固然重要,失敗的教訓更應該總結.讓學生真正體驗那種通過峰回路轉百折不撓的探索終于登上豁然開朗的峰頂時的喜悅,以及他們成功后不睦功名、甘于淡泊的崇高人格.

(3)可以讓學生了解:任何一項重大發現都依賴于科學家群體的努力.正是有這樣一批精英才推動了社會的發展,一些在現在看來是錯誤的理論其實在當時是很進步和了不起的,從而樹立正確的價值觀,有助于學生歷史唯物主義和辯證唯物主義思想的形成.

筆者經過具體實踐認為要注意以下幾點.

(1)物理學史的運用不能簡單貼標簽,而要將內容和教學有機地融合在一起.不能簡單介紹物理學史,要用它來引發學生的思考,從而促進學生掌握科學方法,提高科學思維能力.

(2)物理學史取材和處理要達到兩個要求:第一.取材要能啟發學生對新問題產生自己的思考.第二.教師要引導學生順著科學家的思維脈絡去體驗當時人們是怎么思考這個問題的.

(3)要用歷史唯物主義和辯證唯物主義的觀點看待一些在現在看來是錯誤的理論,展示和說明它先進可取的一面,從而給學生一個完整、全面的認識.要啟發、引導思維的發展變化,從而促進學生思維的嚴謹性.通過沖突會話和實驗探究使學生逐步養成敢于質疑、善于交流、勤于動手、樂于合作的良好科學態度和習慣.