自制“地磁場發電機”在高中物理教學中的應用

劉 寶

(江蘇省淮陰中學 江蘇 淮安 223002)

張東風

(蘇州工業園區星海實驗中學 江蘇 蘇州 215021)

在生產生活中普遍使用的交變電流，是基于電磁感應的相關知識，也是電磁感應內容的延續和發展．交變電流內容既要求學生具有一定的理論建模能力，又要求學生能體會其在實際應用中的作用，知識豐富且抽象，學生在學習過程中有一定困難．根據2017年版物理課程標準指出，通過實驗，認識交變電流，實驗探究的方式無疑是學生理解和掌握該部分知識的良好方案，同時“科學探究”的過程也是培養學生物理學科素養的重要途徑，鑒于此，筆者在教學過程中對“交流發電機演示實驗”進行了如下的思考和改進[1]．

1 教材原有實驗反思和啟發

1.1 反思1

發電機是學生學習法拉第電磁感應定律和交流電等知識的重要裝置，2019年版普通高中教科書物理選擇性必修第二冊(人教版)第三章第1節第47頁的手搖交流發電機模型如圖1所示，搖動手柄，發電機即可發電，二極管交替發光．雖然該實驗能說明一些結論，但還存在以下幾點不足之處：其一線圈面積小，匝數多，又被磁鐵框架遮擋，學生看不清楚內部結構，不利于學生進行直觀地觀察；其二傳送皮帶的帶動作用使線圈轉速遠遠大于手柄搖動轉速，線圈轉速太快，頻率過大，學生不能同步跟蹤交變電流的形成過程；其三是該發電機線圈所在磁場不是勻強磁場，教材中假設其為勻強磁場之后進行理論探究，不便于實驗直接驗證．

圖1 手搖發電機模型

1.2 反思2

2004版普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-2(人教版)第四章第2節第7頁“探究電磁感應的產生條件”中的“做一做”欄目中有一題為“搖繩能發電嗎?”的探究性課后實驗[2], 如圖2所示.其內容如下，把一根大約10 m長電線的兩端連在一個靈敏電流計的兩個接線柱上，形成閉合電路后，搖動這條電線，實驗結果是靈敏電流計示數發生變化，說明導線中產生感應電流，該實驗非常震撼、效果明顯，學生非常感興趣．這個實驗告訴我們，地磁場不僅真實存在，而且可以用來探究使用，但是該實驗由于空間限制，不方便在教室展示，筆者認為可以通過改進實驗裝置，利用地磁場發電，不僅可以利用無處不在的地磁場，并且可以利用其神秘感，激發學生興趣．

圖2 搖繩發電實驗俯視圖

1.3 啟發

基于這兩個課本實驗，筆者考慮制作一款帶有“大線圈”的“地磁場發電機”，不僅可以利用神秘的地磁場，而且通過增大線圈面積，讓學生觀察形象的發電機結構，方便學生理解，接下來進行詳細的介紹．

2 自制“地磁場發電機”

2.1 自制“地磁場發電機”原理

把自己繞制的大線圈在地磁場中轉動，根據微元思想，地磁場近似看作勻強磁場，線圈的轉軸垂直于勻強磁場方向，使用靈敏電流計或者利用微電流傳感器通過 DIS系統反應在電腦屏幕上，供學生觀察和思考．

2.2 自制“地磁場發電機”材料

(1)木框或者塑料框，用于繞制導線，尺寸120 cm×80 cm，如圖3所示；

圖3 自制矩形大線圈

(2)漆包線，直徑1 mm，繞制線圈200匝，約400 m；

(3)金屬桿，用于穿起框架，約150 cm；

(4)金屬支架，用于放置、轉動線框，如圖4所示；

圖4 金屬支架

(5)電流換向器如圖5所示，自制銅片電極如圖6所示，用于引出感應電流．

圖5 自制換向器

圖6 自制換向器銅片電極

將上述器材組裝就可以完成“地磁場發電機”的制作，實物結構如圖7所示，通過轉動手柄，就可在靈敏電流計或者DIS系統中觀測感應電流．

圖7 發電機接靈敏電流計工作圖

2.3 自制“地磁場發電機”創新之處

(1)充分利用時空，合理利用神秘的地磁場，運用“微元思想”生成勻強磁場，增強了實驗本身的趣味性和吸引力，學生課上注意力顯著增強.

(2)大線圈給學生形成強烈的視覺沖擊，在大腦中形成深刻印象，身臨其境，通過實際操作，感知到中性面等特殊位置，便于學生想象和理解相關概念，在理論推導中，更容易理解相關物理量和幾何關系.

(3)該發電機既可以做定性感知，又可以做定量驗證，用DIS微電流傳感器同步動態輸出真實電流，直觀形象地呈現出感應電流隨時間的變化，理解交變電流周期和頻率的實際意義.

(4)自制器材取材方便，貼近生產生活實際，親和力強，安裝簡單靈活，便于學生體會探究過程，突破教學難點，達成教學目標．

3 使用自制“地磁場發電機”在“交變電流”中的應用

3.1 神秘磁場顯神通引人入勝交流電

教學片段：

師：現有大線圈和電流表構成回路，老師有“魔力”能讓電路來電，同學們相信嗎？大家可以積極討論和猜想．

師：用圖7裝置進行演示，靈敏電流計通過實物展臺進行展示，學生觀察電流表指針變化情況．

師：同學們已經觀察到電流表顯示了電流，這個電流產生的原理是什么呢？

生：該實驗利用了電磁感應的基本原理，并借助地磁場，讓閉合線框在磁場中轉動，使通過線框的磁通量發生變化．

師：同學們做一猜想，閉合線框產生的電流是交流還是直流？請給出理由．

生：隨著線框轉動，由于穿過閉合線框的磁通量不斷周期性的增加和減少，引起導線中電流的大小、方向都在周期性變化，故我們認為此電流是交變電流．

設計思想：源自生活，返璞歸真，以簡致勝，借地球磁場構建生活情境，通過定性實驗，讓學生體會真實的發電實驗．

3.2 追本溯源探真知 理論實驗齊步走

教學片段：

師：對同學們猜想和理解表示肯定，同學們能具體分析一下交流電的大小和方向是如何變化呢？借助發電機線圈以及地磁場的特點，向學生展示地磁場發電機發電的特殊位置和一般位置，讓學生進行分析，如圖8和圖9所示，將對應的特殊位置產生的電動勢情況嘗試畫在E-t圖像中．

圖8 發電機轉動特殊位置

生：定性分析出結論，將特殊點畫在圖9中．

圖9 特殊位置電動勢

師：一般位置的電流大小如何呢？點與點之間如何變化呢？是線性變化嗎？借助發電機線圈一般位置特征，結合右手定則，幫助學生分析交流電的瞬時值大小和方向，并介紹相關概念．

生：借助理論工具，推導出感應電動勢瞬時表達式：E=nBSωsinωt，感應電流瞬時表達式

師：經過理論推導，同學們推導的公式符合實際情況嗎？如何檢驗呢？

生：可以將地磁場發電機接在DIS傳感器上，通過計算機顯示其電流變化情況，如圖10和圖11所示．

圖10 發電機接傳感器工作圖

圖11 計算機軟件記錄數據

師：通過觀察波形，在誤差允許范圍內，該電流隨時間變化圖線為正余弦函數圖像，而變化圖線周期不是均勻變化？這又是什么原因？

生：可能是轉動手柄速度不一致造成的，或者可能是磁場不均勻造成的．

師：如果采用秒表計時，控制轉動速度，可以讓波形接近正弦函數圖樣，如圖12所示，并且觀察特殊位置時電流大小，進一步理解中性面等特殊位置電流特點．

圖12 電流隨時間變化曲線

設計思想：學生通過已學知識，進行理論探究，得出交變電流感應電動勢、感應電流瞬時表達式，理論結果及時通過實驗驗證，既讓學生體會理論推導成功的喜悅，又讓實驗思想深入學生認知，對培養學生科學精神大有幫助．

3.3 交變電流最大值 返璞歸真量地磁

教學片段：

師：通過理論分析，我們知道交變電流最大值為Em=nBSω，能否通過該公式和實驗數據計算出電磁場分量的數量級呢？

具體計算過程如下：

n=200匝，S=0.6 cm2，ω=2π rad/s，R=4 000 Ω，r=32.3 Ω，Im1=4.8 μA，Im2=7.2 μA，解得

B1=2.57×10-5TB2=3.80×10-5T

通過查閱相關資料B標=5.00×10-5T，有

我們計算的地磁場數量級和實際值一致，數值偏小可能是由于地磁場有其他方向分量，或者儀器檢測精度偏差等原因造成的．

設計思想：通過本節知識的學習，學生對交變電流的認識已經達到一定高度，設計讓學生計算地磁場的問題，將知識又用于生活，源于生活，回歸生活，讓學生從身邊體會物理的奧秘，從而愛上物理．

4 結束語

自制“地磁場發電機”源于對教材的深刻思考，源于對生活的細致觀察，源于筆者對實驗教學的熱愛，源于學生喜聞樂見的方式.貼近學生, 容易引起他們的興趣[3], 特別是體現在以問題為引領、探究為主線、發展學生物理學科核心素養等方面，讓學生在課堂上始終帶著問題、帶著興趣、帶著對知識的向往學習，不僅打造了高效率的課堂、樂學的氛圍，而且有利于學生后續的發展．