一個失敗物理演示實驗的浴火重生

胡海飛

(浙江省諸暨市浬浦中學,浙江 諸暨 311824)

眾所周知,演示實驗作為一種教學手段在課堂教學中是無法替代的,所以它理所當然是值得物理教師在課前認真準備和研究.筆者在講授“通電導線在磁場中受到的力”這節課時,特地準備了學校實驗室全新引進的J2448型安培力演示器.為了能激發更多學生學習物理的興趣,培養他們的探究能力,在備課時根據教材設計好如下的實驗方案.

(1)讓學生仔細觀察銅棒受力方向,再上下交換磁極的位置,看安培力是否改變.

(2)改變銅棒的電流方向,觀察其受力方向是否改變.

(3)增大銅棒中的電流,定性判斷受力大小是否改變.

(4)改變磁感強度與電流方向的夾角,觀察安培力是否改變.

筆者的意圖是想借助這個演示實驗,引導學生去探究安培力的大小和方向跟哪些因素有關.以此來激發他們的興趣和求知欲,從而達到讓學生熟練掌握“左手定則”這條規律.

圖1

圖2

演示實驗:全新的J2448型安培力示器一套(如圖1).用J1202型學生電源作為外接電源.串聯1只滑動變阻器用來控制銅棒中的電流大小.等連接好電路,接通開關后卻發現銅棒幾乎一動不動.現象不明顯說明實驗有問題,分析其原因,估計有幾個可能:可能是接觸不良.立即重新檢查了電路的接線有沒有到位,為防止大電流引起銅棒和軌道表面的氧化.重新用砂紙多次地打磨銅棒和軌道,再次接通電源,銅棒還是一動不動.也可能是軌道不夠平整,重新調整了軌道的平整程度,接通電源后銅棒還是不動.還有可能是通電電流不夠大的緣故.為了增大電流,減小滑動變阻器接入部分的阻值,通過銅棒的電流甚至到了電源的過載保護,銅棒還是一動不動.最后認定可能是安培力過于“微弱”,所以根本推不動長銅棒.趕緊換上短銅棒,再次接通電源,銅棒終于向預定的方向緩慢地移動了.重復實驗,小銅棒真的能夠在安培力作用下移動了.盡管實驗現象不夠明顯,但畢竟調試成功了,筆者滿懷信心地走進了課堂.

課堂演示時,銅棒又不動了.好在早有心理準備.重新調試儀器,排除了電路接觸不良,增大了通電電流、把長銅棒換成了短銅棒一切都按著課前事先準備的預案重新操作著.可結果是銅棒要么一動不動,要么只是輕微地左右搖晃,甚至有幾次銅棒竟毫不猶豫地向著預定的反方向移動了.面對如此得來的實驗現象,筆者當時真是束手無策.學生們也被這個實驗現象搞得一頭霧水,本來燥動的教室剎時也變得格外安靜.銅棒一動不動或許還可湊合著解釋,它居然毫不猶豫地向著反方向前進了,對于這個意外現象筆者當時真的無法自圓其說了.意味著這個實驗演示失敗了.筆者心里當時真的“冰”到了極點！演示出現意想不到的情況,為了能把課繼續上下去,當時真有這個念頭,想把失敗簡單地歸結于“儀器有毛病”、“實驗本身現象就不明顯”等托辭,準備“強行”讓學生接受“左手定則”這個結論.轉眼又意識到一直以來我們的物理教學的本身就要培養學生嚴謹求實的作風,在演示實驗的過程中也必須保證過程的真實性和結論的可靠性,課堂上是容不得筆者如此弄虛作假.如果這樣做可能會使學生對教師的能力和物理規律本身同時產生懷疑,這樣的課堂教學效果反而會適得其反.

筆者堅信“左手定則”是沒問題的,實驗時所產生的安培力也足以推動那條空心的銅棒.想到這兒筆者才意識到居然忘記了一個重要主體——參與演示實驗的還有學生.剛才筆者只是引導學生在看,卻忘了引導他們如何去想.我們做演示實驗的目的就是為了展示物理學現象,去引導學生觀察、思考、分析實驗現象,重而得出結論.筆者重新調試了儀器,再次操作,銅棒還是不動.同學們想一想銅棒不能運動的原因到底會出在哪里？分組討論一下,想想看還有什么其他原因可能引起實驗失敗.是不是一切可以懷疑的的原因我們都想到了呢？經過筆者一番鼓勵,教室里瞬間活躍起來,學生們議論紛紛……“是否儀器上的有些環節還沒有考慮到”？突然有一位學生嘀咕了一下,說:“會不會儀器出廠時一不小心把未標明磁極的磁鐵裝反了？”大家都笑了起來.那個學生爭辯道:“假如磁極裝反了,那么銅棒所處位置的磁場就不可能是N極對著S極,而應該是N極對著N極或者是S極對著S極？如果事實的確如此,那么銅棒所處的位置磁感應強度幾乎不就是等于0了？那么即使銅棒里通過再大的電流,銅棒還是一動不動的怪象也不足為奇了.”課堂氣氛又一次被點燃了.趕緊檢驗磁鐵的磁極,發現果真是磁極裝反了,同名磁極相對放置,實驗哪能成功啊！調換磁鐵磁極,重做實驗,發現現象相當明顯,即使把大電流換成小電流,短銅棒換成長銅棒實驗現象還是非常明顯的.

“銅棒始終一動不動”,反而證實了兩個相對磁極之間的磁感應強度幾乎為0.“銅棒為什么會朝相反的方向移動呢？”是因為兩磁鐵的磁性有強弱,銅棒所處位置磁感應強度不能完全相抵消.失敗的實驗反而證實了相對磁極中垂線處合磁感應強度為0.學生們爭先恐后地解釋著剛才出現的各種實驗現象.他們以自己獨特的方式體會了兩個同名磁極之間的磁場分布,得出了與兩個同種電荷分布的電場竟有如此相似的這個結論.后來的事實證明至少那堂課上學生們的好奇心和求知欲被徹底激發了.他們還提出好幾種連筆者也根本沒料想到的實驗方案.“只留下一塊磁鐵,看銅棒會不會移動？向何處移動？”“當磁感應線方向與電流方向相同在同一直線上是銅棒會不會移動(圖2)？”“大電流引發的過載保護有沒有辦法去克服？能否用超級電容器來替代學生電源……”

的確,做好一個物理演示實驗有時真的并不輕松.有些實驗貌似簡單,但課堂上操作起來并不能保證一帆風順,有時甚至還得仔細考慮會不會碰到一些偶發情況.當然教師對于課堂上由于操作或儀器本身的原因而引發的意外也不必過分慌亂.更不能為以后不做實驗找借口.因為,有些事情我們努力了也保證不了讓它絕對成功,自然也包括我們的演示實驗.“失敗”教學本身屬于課堂教學的一部分,我們的大多數發現和發明都不也是建立在失敗的基礎上嗎？失敗從另一個方向來看或許比成功更有實際的指導意義.還有,一直以來我們始終在埋怨我們的學生,說他們在課堂上不會探究物理問題,現在看來問題還是出現在我們教師身上,作為教師我們敢不敢讓學生去探究、有沒有意識和能力去引導他們如何去探究.我們也不必擔心課堂會不會失控,就像這堂課,由于表面上的失敗反而使教師和學生收益更多.