利用數字化實驗提升物理課堂教學質量與效率

易瓊芳

【摘要】數字化實驗可以將抽象的磁場可視化、及時化，將變量之間的數據關聯化。利用實驗室的傳感器和手機自帶傳感器功能測量地磁場和載流導體周圍的磁感應強度，測量安培力和導體電流等物理量，研究它們之間的定量關系，幫助學生客觀具體地認識磁場的物質性，理解磁場的核心概念及磁感應強度，掌握磁場的特性，形成正確的“場”觀念，提升課堂教學質量，培養學生的科學探究能力和科學思維品質。

【關鍵詞】磁場；磁感應強度；數字化實驗；課堂教學

磁場作為客觀存在的一種較特殊的物質，存在于載流導體、永久磁體、運動電荷或時變電場等周圍空間中，是以磁感應強度表征的一種特殊形式的物質。磁場的物質性也體現了磁場具有能量和動量，磁場對磁體和載流導體有力的作用，能產生電磁感應現象和霍爾效應，使磁致伸縮材料發生變形，使載流導體或半導體的電阻發生變化。在電磁學的建立與發展過程中，法拉第最先提出“場”及“磁場線”的概念。但如今“場”的概念已遠遠超出了原有的范疇。“場”已經是物質的一種基本、普遍的存在形式，只有正確認識、理解“場”的概念，才能完整地建立物理學知識結構體系，形成正確的物理觀念。由于磁場難以直接觀察與理解，學生不易正確認識，提升學生對場的認知需要有力的實驗驗證與實驗探究。利用數字化實驗，譬如實驗室傳感器、智能手機自帶傳感器，可以將人眼不可見的磁場用數據測量出來、用圖像表達出來。利用數字化實驗的可視性、即時性及高效的數據處理特性可以讓學生更深層次地認識、理解磁感應強度概念和掌握磁場的物質性，提升課堂教學質量與效率。

一、利用智能手機內置傳感器與phyphox軟件研究地磁場強弱和方向

初中物理已經講過了磁現象，磁體、磁極、磁極間的相互作用，通常都是通過定性的傳統實驗了解初步的磁現象。高中物理課程是先學習電場和電路，從電與磁的聯系入手，通過對比電與磁的相似性，讓學生把電和磁聯系起來，進行類比性知識延展。新教材的編排設計在展現科學家對電磁學方面的探索過程時，雖有物理思想的引導，但省去了過程的曲折，看似教學內容簡單了，卻對學生的理解能力提高了要求。新教材的編排設計對接受理解能力強的學生比較合理，但是課堂教學也要關注到部分理解能力較弱的學生，他們在學習理論知識時，往往對新知識認知模糊且片面。

根據新課程特點與學生的實際情況，可以利用數字化實驗室的磁敏傳感器把磁感應強度變成電流信號，通過數據采集器和計算機讀出磁感應強度的大小和方向，將磁場的強弱量化、可視化，讓抽象的物理量變得具象化、物質化，便于學生由形象思維向抽象思維發展。磁傳感器最關鍵的部分在探頭，制作探頭的元件對磁場很敏感。我校數字化實驗室為江蘇正方體科教LAB，磁傳感器的單位是毫特斯拉。利用學校的磁傳感器測量永磁體磁極的磁場大小和方向、通電螺線管附近的磁場等強磁場時，測量效果比較好，但測量地磁場等弱磁場時，測量效果很不理想。

地磁場屬于強度比較弱的磁場。由于學校磁傳感器靈敏度不夠，利用學校的磁傳感器探究地磁場時實驗效果很不理想，但可以利用智能手機自帶傳感器與phyphox軟件來共同完成，現在的智能手機是一個綜合功能強大的便攜式電子設備，智能手機內置力、聲、運動、計時器等多種傳感器，其處理器也有強大的計算能力，能結合現實及時處理數據的功能，可及時測量大量物理量。phyphox軟件利用手機傳感器，能即時顯示有關物理數據，同時建立坐標系，直觀展示、對比實驗數據，配合投屏軟件，可以實時將手機屏幕顯示在多媒體電腦及屏幕上，實時展示實驗過程與數據。其實，智能手機與phyphox軟件就是一個小型且操作簡單的數字化實驗室。智能手機內置磁傳感器的單位是微特斯拉，比學校傳統磁傳感器的靈敏度高1000倍。使用phyphox軟件利用手機內置磁傳感器探究地磁場的大小和方向，方法如下：

實驗1：將手機放在水平桌面上，對應不同的方位。測量結果：不同方位的磁感應強度不同，手機南北放置時磁感應強度比東西方向放置時強度大。

實驗2：把手機豎直固定在手機架上，在豎直方向上旋轉2周。實驗結果：磁感應強度呈周期性變化；地磁場在某一特定的方向上具有最大值。改變手機的豎直平面再轉動，可以測量各個方向的地磁場。利用手機內置傳感器與phyphox軟件測量微弱磁場的強度，測量各個方向上的地磁場的強弱及存在極值的地磁場方位，讓無法肉眼看見的物理量具體化、直觀化。它的優勢和特點在于操作簡易，占用時間少，可視化效果好，數據即時性強，能隨物體運動變化即時展現。

二、利用數字化實驗室探究“通電直導線”的磁場分布特征

奧斯特實驗是一個劃時代的發現，這是電流產生磁場的一個重要驗證實驗。在傳統實驗中，由于實驗室里電源提供的電流不大于2A，通電直導線產生的磁場較小，小磁針的偏轉角度非常小，實驗效果不明顯，并且外界微小的擾動都能影響到實驗結果。利用傳統實驗器材在教室里做此實驗，實驗干擾因素多，成功率不高，且不方便教室后排和側邊的同學觀察實驗現象，課堂實驗效果不夠理想。

為了提高實驗效果，可以利用數字化實驗室進行實驗3。裝置：先將磁傳感器、數據采集器、電腦連接成一個電路，再將一根粗銅絲、滑線變阻器、電流傳感器、學生電源（額定電流2安培）串聯起來構成另一個閉合回路。磁傳感器放在水平的架子上，磁傳感器探頭與粗銅絲垂直，調零消除地磁場的影響。實驗過程：接通學生電源，在電腦里就顯示出粗銅絲周圍的磁感應強度。保持粗銅絲電流強度不變，改變磁傳感器與粗銅絲之間的距離，觀察電腦屏幕的磁感應強度值的變化；保持粗銅絲與磁傳感器之間的距離不變，調節滑線變阻器，觀察電流和磁感應強度變化關系。這個實驗也可以利用phyphox軟件來做，同樣有很好的效果。因數字化實驗的應用，“探究通電直導線周圍的磁場”實驗變得簡單易行，直觀可視，并且從定性觀察層面上升到定量分析層面。概念是抽象的，數據是具象的，從具象到抽象，再由抽象到形象，有效訓練學生想象力和思維力，提高實驗質量，提升教學效果。

三、利用數字化磁傳感器探究“通電螺線管”內部的磁場分布特征

探究“通電螺線管”內部的磁場是驗證電流產生磁場的另一個重要實驗。通電螺旋管內部的磁場大小和方向也是學生認知的一個難點，以前無法用實驗證明內部磁場，只是通過畫磁感線讓學生明白通電螺線管內部的磁場的大小和方向，純理論又抽象的知識導致學生難以理解和接受，更難以記憶，利用該知識解決實際問題時更是錯誤百出。現利用磁傳感器進行實驗，可以捕捉通電螺線管內部磁場分布，并且裝置、器材的準備都較為簡單方便，如實驗4：先將學生電源、電流傳感器、螺旋管、滑動變阻器串聯起來構成閉合電路。磁傳感器探頭放在螺旋管的一端，探頭逐漸深入，同時記錄在螺旋管內部不同位置的磁感應強度。

圖1 正向螺線管內部的磁場分布圖

圖2 反向螺線管內部的磁場分布圖

該實驗可以清楚明了地觀察到螺旋管內部磁場的分布，圖1、圖2均是螺線管內部的磁場分布圖。圖1從螺線管一端的管口開始測量，將刻度尺和磁傳感器固定，讓螺旋管朝磁傳感器移動，每前進一厘米記錄該位置的磁感應強度大小，得到“位移－磁感強度”圖像，圖2是從螺旋管另一端開始測量，所以都是負值。圖像清晰地展示了螺旋管內部磁場大小的分布，通電螺線管中間區域磁場最強，向兩端逐漸減弱，具有對稱性。實驗過程中還可以改變電流的大小觀察螺旋管同一位置的磁場大小，得出電流越大，螺旋管內的磁感應強度越大。這個實驗操作簡單，既可以做演示實驗，也可以作為學生實驗，以此鍛煉學生的實驗操作能力和實驗探究能力，提升其形象與抽象思維能力。

四、利用數字化實驗測量安培力的大小及磁感應強度的定義研究

在數字化實驗室建立起來之前，多數實驗只是驗證安培力的存在，或者是驗證電流越大安培力越大，以及安培力的大小跟電流成正比函數關系。雖然可以利用電流天平間接測量安培力的大小，但是該實驗過程繁瑣，還受到電流天平的可靠性的限制，所以在課堂教學中很少使用電流天平完成該實驗。

為了能夠驗證安培力的存在，并測量出安培力的大小，設計了實驗5：實驗裝置將學生電源、電流傳感器、線圈、滑動變阻器串聯起來構成一個閉合回路，線圈掛在微力傳感器下面，線圈底邊水平，放入U形磁鐵中間，并與U形磁鐵上邊平行。再在電腦上把電流值和力值歸零，消除線圈重力對數據的影響。實驗過程中采集微力傳感器和電流傳感器數據。實驗時接通學生電源，觀察電流和力的數值并記錄數據，實驗設置采用“記點”方式記錄數據，改變滑動變阻器阻值，記錄對應的電流和力的數據。以“電流強度”為橫軸，“力”為縱軸，觀察得出所記錄點的發展趨勢為一條過原點的直線。以正比函數擬合（如圖3）。

通過力傳感器和電流傳感器組合使用，可以很方便地測量安培力的大小和方向，可即時讀出不同電流強度所對應的安培力大小。該實驗可以得出在磁場不變，導線不變的條件下安培力與電流強度成正比。該實驗還可以在同一磁場中放置不同的線圈，驗證F與IL的關系，由此理解比值定義法，理解磁感應強度的含義是描述磁場對外界作用力的性質，闡述了磁場的物質性。此實驗也證實了比值定義法的科學性。進行該實驗時要關閉電風扇或避免其他微小擾動，確保該實驗的精確度。

本實驗通過探究安培力的大小與電流大小、導線長度、磁場強弱的函數關系，對定義磁感應強度教學起到了可視化、數據化作用。通過探究物理量之間的關系培養學生邏輯思維能力，讓課堂教學具有直觀性和高效性。

磁感應強度是研究磁場的第一個核心概念，以上幾個數字化實驗能夠提供大量實驗數據驗證磁場的物質性，讓學生深入認識和理解磁感應強度表達的物理含義。基于數字化實驗探究物理基本概念、基本規律以及知識間的相互聯系，這對于學生將來更深入系統地學習電磁學是一種認知與思維能力上的準備，為學生提供了研究問題的方法和手段。新的技術和平臺、新的研究方法和手段提高了物理課堂教學科學性和高效性，也有利于培養學生的科學探究能力和科學思維品質。

【參考文獻】

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