自制兩只儀器 彌補教材不足 清除理解障礙

潘林順++徐永明

摘 要：教材對通電螺線管磁場和“旋轉(zhuǎn)的液體”器材選擇的處理，有不足之處，通過自制兩只儀器，能很好的彌補不足.儀器或通過老師演示，或讓學(xué)生親身體驗，明顯的實驗現(xiàn)象給學(xué)生以強烈的刺激，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，有利于清除學(xué)生理解的障礙.

關(guān)鍵詞：自制；儀器；實驗；課堂設(shè)計

新課標(biāo)人教版3-1第三章第3節(jié)“幾種常見的磁場”，對通電螺線管內(nèi)外磁場如何分布，是從環(huán)形電流的磁場類推而來的，缺少實驗探究或驗證，學(xué)生將信將疑，說服力不足.第4節(jié)“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”，其中“旋轉(zhuǎn)的液體”存在實驗器材選擇和實驗現(xiàn)象不明顯等缺點.為此，結(jié)合教學(xué)實際需要，自制兩只儀器，彌補教材不足，清除思維障礙.

一、器材介紹

1.儀器之一：塑料水瓶螺線管

[就地取材]瓶身為圓柱體的透明塑料瓶（如“富力飲”牌飲用水瓶），漆包線三米，小磁針數(shù)枚，30cm長塑料尺一只，干電池四節(jié)，電池盒一只，電鍵幾只，導(dǎo)線一根，膠帶一只，美工刀一把.

[儀器制作]如圖1所示，在塑料瓶的中部開一個長約5cm，寬約3cm的長方形孔（照片中方孔看不清楚，插支筆顯示方孔的位置），方孔的作用是為了教學(xué)投影時不反光，有利于學(xué)生在下面看清瓶內(nèi)小磁針的轉(zhuǎn)動情況.在瓶的側(cè)面繞上漆包線，線距約6mm左右，過疏磁場不夠強，過密透視效果不好.瓶底處和瓶頸處多繞幾匝，一是便于用膠帶固定，二是為了增強磁場.瓶底處用膠帶貼著可上下翻動的紙質(zhì)箭頭，用來指示電流的方向.最后切去瓶底，便于放進直尺小磁針等，制作完畢.

[操作方法]如圖2，將四節(jié)干電池、電鍵和塑料水瓶螺線管連接電路.螺線管東西方向放置，確保通電后，螺線管內(nèi)部的磁感線東西方向.通電后，電流方向如圖所示，瓶蓋端是N極，瓶底端是S極.在長尺上放兩枚適當(dāng)相距的小磁針（距離過小兩者會互相干擾），小磁針南北指向，把長尺緩慢地伸進螺線管內(nèi)部，小磁針同尺一起進入，最終一枚在螺線管內(nèi)部，一枚在外部，觀察小磁針的兩極指向；小磁針再放到螺線管周圍，觀察小磁針兩極指向.改變螺線管中的電流方向，重復(fù)上面的操作.

[實驗現(xiàn)象]當(dāng)瓶蓋端是N極時，在螺線管內(nèi)部，靜止的小磁針1的N極（淺色）指向螺線管的N極（瓶蓋端），S極（深色）指向螺線管的S極（瓶底端）；在螺線管外部，小磁針2的N極指向螺線管的S極；在螺線管周圍移動小磁針，小磁針的N極指向不斷發(fā)生變化.改變電流方向得到類似現(xiàn)象.

[儀器評估]實驗室購買的螺線管一般都是多層密繞線圈，即不透明，螺線管的直徑一般也比較小，放不進小磁針，不便于用小磁針檢驗螺線管內(nèi)部的磁場.“塑料水瓶螺線管 ” 取材廣泛，學(xué)生也可自己制作，能有效提高動手能力和改進實驗?zāi)芰?；操作簡單，如在多媒體展臺上展示，在屏幕上得到放大的螺線管與小磁針的畫面，一目了然，有利于分析探究；塑料瓶側(cè)面的孔，大大提高了投影效果，學(xué)生能體會到小細節(jié)的大作用.

教材以線圈的磁場合理推理通電螺線管的磁場分布，如果再加上通電“塑料水瓶螺線管 ”實驗的探究或驗證，學(xué)生學(xué)起來就輕松自然，有理有據(jù)了.

2.儀器之二：液體電動機

[就地取材]直徑8.4cm圓柱透明食品盒一只，大橡皮擦（9cm 6cm 1.2cm）一塊，從廢棄電瓶車電機上拆卸強磁鐵（2.4cm 1.3cm 0.3cm）6塊，家庭裝修銅導(dǎo)線（直徑2mm）長40約cm，漆包線（起固定作用）50cm，墨水一瓶，飽和食鹽水一杯，白紙碎屑十片左右，干電池四節(jié)，電池盒一只，短導(dǎo)線兩根.

[儀器制作]如圖3所示，刀片削去橡皮邊角，剛好能放進食品盒為宜，用漆包線把六塊磁鐵固定在橡皮擦上，且使同一極性朝向相同.取30cm長銅導(dǎo)線，去掉絕緣層，彎成一個直徑約為7cm的帶直桿圓環(huán)，直桿靠近食品盒壁插在橡皮擦的邊緣（作為一個電極），去掉絕緣層的長7cm銅導(dǎo)線插在橡皮擦的正中央（作為另一電極），制作完畢.

[操作方法]在圖3裝置中倒入適量的飽和食鹽水，用飽和食鹽水代替水是為了減小電阻，滴幾滴墨水，攪拌均勻.灑上白紙碎屑，漂在水面上.插在中央處的銅棒與電源的正極相連，圓環(huán)與電源的負極相連.

[實驗現(xiàn)象]如圖4所示接通電路后，碎紙屑隨鹽水一起轉(zhuǎn)動起來，圓心處陽極有大量氣泡產(chǎn)生（氯氣），陰極圓環(huán)也附著大量氣泡（氫氣）.由于墨水與紙屑一黑一白，現(xiàn)象非常明顯.如果將正負極換接，碎紙屑隨水一起反轉(zhuǎn)起來.

[儀器評估]教材中“旋轉(zhuǎn)的液體”的實驗圖是效果圖，不是照片，原理當(dāng)然正確，但動手做起來發(fā)現(xiàn)有許多不足.首先，裝置不能做得大些.淘寶網(wǎng)上出售的特大蹄形磁鐵的臂寬只有3cm，兩臂之間距離也只有8.6cm，沒辦法做成較大的裝置.其次，蹄形磁鐵磁性不夠強.蹄形磁鐵的材料決定了磁性不夠強，液體旋轉(zhuǎn)不明顯.第三，裝置不便于投影.玻璃皿放在兩臂之間，投影時液體被磁鐵遮擋而觀察不到，只適合圍著裝置近距離觀察，不適宜課堂上所有同學(xué)觀察.“液體電動機”克服了以上不足，裝置還可做得更大，磁性也很強，可放在展臺上投影，全班同學(xué)都能看得清清楚楚.

二、自制儀器使用案例分析

第4節(jié)“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”課題名稱本身也容易誤導(dǎo)學(xué)生，“液體電動機”實驗之前，有少數(shù)學(xué)生誤以為與電源連接的導(dǎo)線受到力，實驗后發(fā)現(xiàn)液體旋轉(zhuǎn)起來而所有的導(dǎo)線沒動，才知道是通電液體在磁場中也受到力，還可以根據(jù)實驗現(xiàn)象分析鞏固最近發(fā)展區(qū).教學(xué)建議：將本節(jié)課題改為“電流在磁場中受到的力”，電流不僅僅可以是通電導(dǎo)線，還可以是通電液體，以及下一節(jié)的運動電荷等，只要電流方向與磁場方向不平行，就一定受到磁場力.

學(xué)生學(xué)習(xí)第3節(jié)時，因思維定勢的消極作用而犯錯誤的現(xiàn)象，屢見不鮮，下表是教學(xué)設(shè)計片斷，展示如何清除理解障礙.

塑料水瓶螺線管 問題1：螺線管中通以如圖5所示電流，小磁針的兩端極性如何？理由是什么？ 學(xué)生擺弄右手，很快得出螺線管右端是N極，從而得出小磁針的左端是S極，右端是N極.學(xué)生給出的理由：同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引.這個理由也早已成為學(xué)生的慣性思維 1.鞏固剛學(xué)“安培定則”；

2.學(xué)生不習(xí)慣用“靜止小磁針N極指向與該點磁場方向相同”的方法，此題為慣性思維而導(dǎo)致的錯誤判斷埋下伏筆

問題2：螺線管中通以如圖6所示電流，把小磁針放進螺線管內(nèi)部，小磁針的兩端極性如何？理由是什么？ 學(xué)生的認知產(chǎn)生矛盾：大多數(shù)同學(xué)認為小磁針的左端是N極，右端是S極，理由同上；少部分同學(xué)認為小磁針的左端是S極，右端是N極，理由卻說不清 同樣的理論“安培定則”，同樣的規(guī)律“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”，但同學(xué)們得出不同的結(jié)論.引發(fā)同學(xué)們思維沖突，激發(fā)學(xué)生爭論與強烈地求知欲望.自然過渡到下面的實驗

實驗探究：介紹塑料水瓶螺線管的結(jié)構(gòu)、原理和操作方法等，讓學(xué)生在“爭吵”中預(yù)期實驗現(xiàn)象 教師指導(dǎo)下，讓學(xué)生上講臺實驗探究，觀察通電塑料螺線管兩端、內(nèi)部以及周圍靜止小磁針的N極指向，圖7為俯視圖，瓶東西方向放置，瓶蓋朝西. 1.“靜止小磁針N極指向與該點磁場方向相同”是判斷小磁針N極指向與磁場方向的根本方法，適用于任何磁場，如螺線管內(nèi)外；

2.“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”只適用于磁體外部.

圖7中小磁針4的指向為什么不與螺線管軸線平行？師生繼續(xù)探討……

三、制作花絮

“通電水瓶螺線管”內(nèi)部和兩端的磁性很強，小磁針能很好地指示方向，而在螺線管外面中部磁性很弱，不能象條形磁鐵那樣使小磁針指向沿軸線方向，同事們曾想多繞匝數(shù)，可匝數(shù)太多透視效果又不好，后來干脆把這個“效果不好”作為新的教學(xué)資源，就設(shè)計了問題：圖7中小磁針4的指向為什么不與螺線管軸線平行？教學(xué)過程中，學(xué)生參與熱情高，理解也透徹，教學(xué)效果很好.

制作“液體電動機”時，原來沒有在飽和食鹽水中放入墨水，鹽水雖然旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)象很不明顯，即使靠近仔細觀察，也不宜覺察.后來同事放入幾滴墨水，再加入白紙屑，既增加了顏色對比，白紙屑又作為液體旋轉(zhuǎn)示蹤標(biāo)記，現(xiàn)象就十分明顯了.淘寶網(wǎng)也有強磁鐵賣，但我和學(xué)生在廢棄電機上拆卸時，學(xué)生對電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等都很好奇，或許這次制作活動的意義，多年后才能在學(xué)生身上有所體現(xiàn)……

教育部頒布的《普通高中物理課程標(biāo)準》（實驗）要求：“教師應(yīng)該積極開發(fā)適合教學(xué)的實驗項目……提倡使用身邊隨手可得的普通物品做物理實驗.”“把學(xué)生在活動、實驗、制作、探究等方面的表現(xiàn)納入評價范圍，不以書面考試為唯一的評價方式.”可見，新課標(biāo)對實驗開發(fā)和儀器制作非常重視，倡導(dǎo)并推進多種學(xué)習(xí)方式，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).我國教育發(fā)展水平很不平衡，還有許多學(xué)校實驗器材不足，如果師生積極利用身邊物品，開發(fā)經(jīng)濟實用的器材，充實和豐富課堂教學(xué)，顯得尤為重要.

[作者介紹]

潘林順，男，中學(xué)高級教師，江蘇省“333”工程培養(yǎng)對象，鹽城市高中物理學(xué)科帶頭人，省物理奧賽高級教練員.一直在一線高中教學(xué)，有多篇文章在核心期刊發(fā)表，主持或參與多個省級課題，教學(xué)業(yè)績顯著，多次受到政府綜合表彰.