高中物理实验教学创新探讨*
——以“探究感应电动势的大小”教学为例

(1. 江苏省无锡市立人高级中学,江苏　无锡　214000;2. 江苏省无锡市教育科学研究院,江苏　无锡　214000)

1　引言

笔者参加了2017年无锡市高中物理优质课比赛,上课的内容是人教版选修3-2第四章第四节“法拉第电磁感应定律”,授课对象是高二学生,由于法拉第电磁感应定律比较抽象,思维能力不强的学生难以接受,笔者通过层层推进的实验设计来化解教学重难点,让学生重演物理知识的发生过程,结合科学猜想和实验探究，让学生认知法拉第电磁感应规律的建立过程,在教学过程中注重提升学生的物理核心素养。

2　问题与探究

2.1　体验新知

学生既然已经知道了电磁感应中产生感应电流的原因是因为感应电动势,那么感应电动势和哪些因素有关?

为此笔者设计了“比一比”实验，装置如图1所示,学生通过插拔磁铁,比一比谁能让电流计产生最大的指针偏转。通过分组实验讨论,两位同学代表参与对比演示。用两条磁铁快速插入匝数多的线圈时，明显发现指针偏转较大。

图1

本实验通过比赛激发学生兴趣和疑问,怎么样才能使得自己的灵敏电流计指针偏转最大?两条磁铁如何放置?是同向还是异向放置?线圈选取匝数多的还是少的?插入速度是快还是慢?通过对比，让学生从观察操作上升到理性思考,注重学生提出的物理量和n、Δt、ΔΦ三个量之间的转化衔接,学生的设想不一定一步到位,最终在教师引导下总结出感应电动势与n、Δt、ΔΦ有关。本环节以师生互动的方式，培养学生的观察能力和语言表达能力,同时鉴于学生已有认知的不足,需要加强指导,培养深入分析、归纳能力，为进一步探究感应电动势与这些因素的定性关系奠定了基础。

2.2　定性探究

“比一比”实验得出了感应电动势与n、Δt、ΔΦ有关，那么感应电动势与n、Δt、ΔΦ有什么样的定性关系?学生自己产生疑问，并且带着问题进一步去思索。探究一个量与几个量之间的关系,当然采用控制变量法,仍然用“比一比”的实验装置,进行分组探究：(1)保持n、ΔΦ不变,探究E与Δt的关系;(2)保持n、Δt不变，探究E与ΔΦ的关系;(3)保持Δt、ΔΦ不变,探究E与n的关系。

通过分组探究,我们发现：(1) 保持磁铁的个数不变,插入的初末位置固定,改变插入速度，可得时间越长,感应电动势越小；(2) 保持线圈匝数和插入速度不变,增加条形磁铁的个数,固定插入的初末位置，可得磁通量的变化越大,感应电动势越大；(3) 保持插入速度和条形磁铁个数以及插入初末位置一定,增加线圈匝数，发现匝数越多,感应电动势越大。

本环节进一步让学生定性探究感应电动势与n、Δt、ΔΦ的关系,渗透了控制变量的思想。至于感应电动势与匝数的关系,学生可以通过逻辑推理实现。单匝线圈相当于一节电池,多匝线圈相当于多节电池串联,所以E∝n，这里体现了科学思维的魅力。对于感应电动势与Δt、ΔΦ的关系，学生可以定性猜想E∝1/Δt、E∝ΔΦ等诸多情况。

本环节培养学生有问题时，通过实验探究解决问题的意识,明确物理是一门以实验为基础的学科的真实含义,使学生乐于探索,勇于探究,同时也让学生在探究过程中体验挫折。学生很难得到感应电动势和这些量的定量关系，只能定性猜测,为了探究过程的完整性和实验的说服力,迫切需要新的实验来验证,探究感应电动势的定量实验也就应运而生了。

2.3　定量探究

为了减小实验误差、提高精度，笔者选择了基于Arduino和Flash的DisLab实验。强磁铁插入线圈，从而磁通量改变，产生的感应电动势由数据采集设备转化为数字信号，由计算机显示出来。该装置可记录通过光电门的时间Δt和记录通过光电门过程中线圈两个位置的ΔΦ(如图2、3)。

图2

图3

同样我们采用控制变量法，定量探究感应电动势与Δt、ΔΦ的关系。

定量探究一(E与Δt的关系):使用同一根条形磁铁保持ΔΦ相同,改变斜面坡度使小车从同一位置下滑,使通过光电门的时间不同,记录多组E与Δt数据(如图4、5、表1)。

图4

图5

表1

使用Excel对计算机所读时间Δt进行倒数处理,作出E与1/Δt图像,发现图像大致通过原点,可得E∝1/Δt(如图6)。

图6

定量探究二(E与ΔΦ的关系):保持小车从同一高度下滑使Δt相同,使用电磁铁、增加电流倍数n，使ΔΦ成倍增加,记录磁场倍数和E的数据(如图7、8、表2)。

图7

图8

表2

使用Excel作出n-E图像,发现图像大致通过原点,可得E∝ΔΦ(如图9)。

图9

实验发现:当n不变时,E∝ΔΦ、E∝1/Δt，最终得出E∝nΔΦ/Δt,即电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。

本环节由老师和几个同学共同配合完成实验的操作和数据的采集，在实验中培养学生观察和发现、提出问题的能力。鼓励学生从物理现象和实验中分析、处理数据，归纳出科学规律，乐于探索生活中的物理学原理。

成串的三个实验层层递进，通过“比一比”实验为探究感应电动势大小预热；“定性”实验逐步提升学生科学探究能力,体会物理规律发现的曲折性,为获得更高的成就感蓄力；“定量”实验以信息技术为辅助,以锻炼学生思维为中心,学生在探究过程中思维升华。最后通过误差分析、实验反思，在思索中增强思维批判性。

3　反思

3.1　实验装置选择

关于法拉第电磁感应定律实验,课标中没有提出要求,笔者参考了众多资料，选择了定量实验方法。原先笔者设计了两个实验方案:(1) 让磁铁做自由落体运动通过线圈，进行定量测量；(2) 基于Arduino和Flash的DisLab实验。考虑到实验的精确性,选择了误差较小、便于操作的第二种实验方案。用Arduino自制传感器和Flash动画来开发DisLab,既摆脱了Flash课件只能模拟的缺点,又使DisLab有了更友好的显示界面。本装置突破教材的现有局限,具有准确的实验结果,实验从条件达成角度不复杂，具有较高的实用性、准确性、可行性、定量性。

3.2　实验注意事项

为了实验具有可重复性,获得良好的效果，在实验过程中需注意。

(1) 线圈的选择要适当,尽量选取开口小的,以便获得更明显的磁通量变化量。

(2) 磁铁选择磁性强的。

(3) 光电门离线圈的距离选择适当,以撞击线圈防护海绵反弹后，不再进入光电门范围为佳。

(4) 关于硬件精度,Arduino端的主要代码程序大约每100微秒运行一遍,光电门由于每次挡光时间大概有几十毫秒,所以挡光时间间隔的误差大概有0.5%左右。

3.3　实验评价

(1) 从教师的角度出发,开阔了视野,使教学的手段、方法更丰富。

(2) 从学生的角度出发,从定性实验到定量实验,对学生思维的培养具有较大的作用。

(3) 如果能改进成为学生实验，其实验价值更高。

(4) Arduino是一款价格便宜、方便上手的开源硬件产品。与传统传感器实验相比,拓展性能非常高,能整合各种各样的传感器,减少了实验装置的复杂性,便于携带。并且它具有简便的编程环境,没有复杂的单片机底层代码,在中学阶段开发设计实验创新的空间广阔。