高中物理中“互感和自感”實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

顧敏敏

(江蘇省常熟中學(xué)，江蘇　常熟　215500)

高中物理中“互感和自感”實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探

顧敏敏

(江蘇省常熟中學(xué)，江蘇常熟215500)

摘要：實(shí)驗(yàn)是物理課堂教學(xué)中的一個(gè)重要手段，無(wú)論是課內(nèi)小實(shí)驗(yàn)、教師演示實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生物理概念和物理規(guī)律的建構(gòu)起著重要的作用.本文以“互感和自感”為例，探討挖掘?qū)嶒?yàn)資源、創(chuàng)設(shè)有效教學(xué)情境的途徑，讓學(xué)生在體驗(yàn)科學(xué)探究的過程中，提高科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.

關(guān)鍵詞：互感和自感；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)設(shè)計(jì)

自感現(xiàn)象作為電磁感應(yīng)的一個(gè)特例，是由于通過線圈自身電流的變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.由于這部分內(nèi)容比較抽象，為了使學(xué)生充分融入課堂，更好的掌握規(guī)律，筆者在執(zhí)教這堂課的時(shí)候，多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收到了較好的效果.

1課堂教學(xué)實(shí)錄

[片段一]

師：我這里有2節(jié)干電池，幾根導(dǎo)線和1個(gè)開關(guān)(還有一個(gè)日光燈上拆下來(lái)的鎮(zhèn)流器故意先不說(shuō))，先請(qǐng)幾位同學(xué)上來(lái)做個(gè)小游戲.

有4個(gè)男生自告奮勇上臺(tái)，老師請(qǐng)兩位同學(xué)分別拿住兩根導(dǎo)線的一頭，合上開關(guān)，學(xué)生正為沒有任何感覺而疑惑時(shí)，老師乘其不備斷開開關(guān)，學(xué)生同時(shí)甩開拉著的手，有的甚至叫了起來(lái).

師：請(qǐng)描述一下剛才的感受.

生：有觸電的感覺.

師：為什么2節(jié)干電池能讓人產(chǎn)生如同觸電的感覺？通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，我們一起來(lái)揭開這個(gè)謎底.

[片段二]

圖1

師：如圖1所示，A1、A2是規(guī)格相同的燈泡.閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)變阻器R，使A1、A2亮度相同，再調(diào)節(jié)R1，使兩燈泡正常發(fā)光，然后斷開開關(guān)S.重新閉合S，觀察到什么現(xiàn)象？

生：燈泡A1立刻正常發(fā)光，燈泡A2滯后一段時(shí)間才正常發(fā)光.

師：請(qǐng)同學(xué)們大家思考兩個(gè)問題：①為什么燈泡A1立刻亮？②為什么A2滯后一會(huì)兒才正常發(fā)光？

師：S接通瞬間，A1支路兩端瞬間就有了電壓，電荷瞬間開始定向移動(dòng)形成了電流，所以燈泡A1立刻就亮.而A2支路由于串聯(lián)了線圈，線圈L中的電流由零開始增加，穿過線圈的磁通量逐漸增大，線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)的方向與原來(lái)的電流方向相反，阻礙了線圈中電流的增加，所以A2滯后一會(huì)兒才正常發(fā)光.

[片段三]

圖2

師：如圖2所示，連接電路，調(diào)節(jié)R，使燈發(fā)出微弱的光，斷開開關(guān)，觀察燈A的情況.

生：燈泡閃了一下再熄滅.

師：要解釋這個(gè)現(xiàn)象，請(qǐng)同學(xué)們思考以下問題：

①斷開開關(guān)，線圈中的電流減小，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向如何？

②由于開關(guān)斷開，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的線圈可以看成一個(gè)電源，感應(yīng)電流沿何途徑流動(dòng)？

③斷開開關(guān)后，通過燈泡的感應(yīng)電流方向與原來(lái)通過它的電流方向是否一致？

④斷開開關(guān)后，通過燈泡的感應(yīng)電流是否有可能比原來(lái)的電流更大？為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，對(duì)線圈電阻有什么要求？

學(xué)生思考并進(jìn)行小組討論，推選代表回答.

生：斷開開關(guān)后，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與原電流方向相同；線圈L和燈泡A串聯(lián)組成回路，電流從右向左經(jīng)過燈泡A，并且燈泡A中的電流和L一樣從原來(lái)的IL逐漸減小到0，所以燈泡A沒有立即熄滅.

師：為什么燈泡A會(huì)亮一下呢？

生：因?yàn)閿嚯娝查g，燈泡A中的電流大小是原線圈中的電流大小，即IL，原燈泡中的電流是IA，由于RA?RL，所以IA?IL，所以看到燈泡亮一下.

師：也就是說(shuō)，斷電后燈泡A中的最大電流從IL逐漸減小到0.如果原來(lái)燈泡中的電流比線圈中的大，我們就看不到燈泡亮一下，而是逐漸熄滅了.

師：分析到這里，我們能不能把燈泡中電流的大小、方向的變化圖像畫出來(lái)呢？

某同學(xué)上黑板畫出斷電前后燈泡中電流隨時(shí)間變化的圖線(如圖3).

圖3

師：這位同學(xué)畫得到底對(duì)不對(duì)？我們可以利用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.

簡(jiǎn)單介紹DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在斷電自感實(shí)驗(yàn)中，用一個(gè)電流傳感器與燈泡串聯(lián)，在電腦屏幕上顯示所測(cè)電流的變化情況,與圖3一致.

2教學(xué)策略分析

圖4

(1)導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)，以趣生疑

相信很多教師在上這堂課的時(shí)候都介紹過一個(gè)叫“千人震”的小實(shí)驗(yàn)，但并不一定讓學(xué)生親身體驗(yàn)過.其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不難做，除了一些實(shí)驗(yàn)室常規(guī)器材外，只需要從日光燈上拆一個(gè)鎮(zhèn)流器下來(lái)，連成如圖4所示的電路，讓幾個(gè)同學(xué)手拉手充當(dāng)其中一條支路.閉合開關(guān)后，突然斷開開關(guān)，由于鎮(zhèn)流器中的電流從有到無(wú)迅速發(fā)生變化，線圈中產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)瞬時(shí)高壓加在人體上，使人產(chǎn)生了觸電的感覺.

新課引入是課堂教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是學(xué)生對(duì)這堂課的第一印象，直接影響一節(jié)課的教學(xué)效果.愛因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過，“興趣是最好的老師”，設(shè)置這個(gè)看似“危險(xiǎn)”的趣味小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在又驚又疑的同時(shí)，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的好奇心和興趣，“2節(jié)干電池怎么會(huì)觸電呢？”由此激發(fā)了他們的求知欲，刺激了他們的思維，為接下去的探究做了個(gè)鋪墊.

(2)演示實(shí)驗(yàn)，以問導(dǎo)疑

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的一個(gè)重要手段.本堂課的重點(diǎn)是通電自感和斷電自感的規(guī)律，所以筆者在進(jìn)行這兩部分內(nèi)容的教學(xué)時(shí)，采用了不同的教學(xué)方法.在演示“通電自感”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用了“預(yù)測(cè)-觀察-解釋”的教學(xué)模式，介紹完實(shí)驗(yàn)裝置后，先讓學(xué)生猜想可能觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生根據(jù)自己原有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)基礎(chǔ)對(duì)實(shí)驗(yàn)做出預(yù)測(cè)，有的猜“兩個(gè)燈泡一起亮”，有的猜“一個(gè)亮，一個(gè)不亮”，有的猜“一個(gè)先亮，一個(gè)后亮”……在濃厚的探究氛圍下，教師演示這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生仔細(xì)觀察，看到兩個(gè)燈泡明顯一前一后先后亮起，最后達(dá)到相同亮度.于是學(xué)生在教師鼓勵(lì)下進(jìn)行小組討論，最后教師總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，取得了良好的效果.

而在演示“斷電自感”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者更注重引導(dǎo)學(xué)生觀察之后的思考.“問題導(dǎo)向式”不失為一種有效的教學(xué)方法，教師設(shè)置幾個(gè)有層次性的問題，既不因問題過于簡(jiǎn)單，使學(xué)生不屑于回答，也不因問題過難而使學(xué)生不會(huì)回答.

在演示完“斷電自感現(xiàn)象”后，需要學(xué)生來(lái)解釋為什么會(huì)看到燈泡閃一下再熄滅.學(xué)生知道是電感線圈的作用，但無(wú)法用語(yǔ)言清楚地把來(lái)龍去脈講述清楚，于是教師設(shè)置的第一個(gè)問題就是“斷開開關(guān)時(shí)，線圈中的電流減小，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向如何？”學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識(shí)判斷出，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向應(yīng)與原電流方向相同；接著教師繼續(xù)提問，“感應(yīng)電流沿什么途徑流動(dòng)？”學(xué)生立即能找到線圈和燈泡組成的回路；教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生觀察，在斷電前后，通過燈泡的電流方向是否一致？使得學(xué)生意識(shí)到要比較斷電前后，通過燈泡的電流的大小和方向，進(jìn)而分析出斷電前的電流是由電源產(chǎn)生的，而斷電后的電流就是線圈中的電流.緊接著教師進(jìn)一步拋出問題：開關(guān)斷開后，通過燈泡的感應(yīng)電流是否有可能比原來(lái)的電流更大？這時(shí)學(xué)生可輕松的回答：只要斷電前線圈中的電流比燈泡中的電流大，斷電后這個(gè)較大的電流反向流過燈泡，就能看到燈泡閃一下的現(xiàn)象.

在這個(gè)探究的過程中，教師設(shè)置了一系列階梯式的問題，由淺入深，化難為易，力求在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了物理課堂的有效性.

(3)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以圖釋疑

按照常規(guī)，課堂教學(xué)進(jìn)行至此，教師可以總結(jié)規(guī)律，然后做幾個(gè)課堂練習(xí)鞏固所學(xué)了，然而似乎學(xué)生們還不盡興，那就再來(lái)個(gè)“高端”點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)助助興吧！

DIS的工作流程是先利用傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再由數(shù)據(jù)采集器將傳感器采集到的各種電信號(hào)進(jìn)行處理后輸入計(jì)算機(jī)，最后通過應(yīng)用軟件，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以多種形式、實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)顯示屏上.新鮮事物往往能引起學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，所以當(dāng)學(xué)生在自己講義上畫出斷電前后燈泡中的電流隨時(shí)間變化的圖像后，教師再利用DIS系統(tǒng)，在投影上顯示出結(jié)果，一方面驗(yàn)證了學(xué)生作圖的正確性，另一方面也使學(xué)生加深了對(duì)圖線上電流大小、方向變化的理解，可謂起到了“畫龍點(diǎn)睛”的作用.

3結(jié)束語(yǔ)

在物理規(guī)律教學(xué)過程中，教師應(yīng)該充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，不斷讓學(xué)生產(chǎn)生疑問，引導(dǎo)學(xué)生思考問題、解決問題，打造一個(gè)高效的課堂，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金鳳,李新鄉(xiāng),田春鳳.巧設(shè)探究實(shí)驗(yàn) 助力物理課堂[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2012,(12).

[2]劉燦榮.自感現(xiàn)象面面觀[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2012,(10).

[3]楊奕敏.高中物理課堂演示實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)的探索[J].湖南中學(xué)物理,2014,(3).

圖3

·實(shí)驗(yàn)研究·