唯有躬行实验方得真知灼见公开课.docx

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1、唯有躬行实验 方得真知灼见例说一道浙江省高考题“电磁感应实验”的答疑过程物理是以实验为基础的科学。在一次高三复习课上，笔者让学生尝试一下 2017年4月浙江省普通高校招生选考科目考试第21题。其中第二小题如下：用如图1所示的装置做“探究感应电流方向的规律”实验，磁体从靠近线圈 的上方静止下落。在磁体穿过整个线圈的过程中，传感器显示的电流i随时间t 的图像应该是 O在后续对学生进行答疑的过程中，上演现实版的过河小马。笔者遵循学生认 知规律，抛开“书中得来”不讲，通过以下层层突入的四个环节，非常规地用实 验方式解释实验题。环节一：课堂生疑，问其由线圈、小磁铁、测电流，判断i-t图像，在笔者看来这是

2、道器材熟悉，情景 易懂，难度不大的必得分实验题，所以匆匆带过。课后，课代表跑来办公室，笃 定地反问道：为什么不能选D?笔者压下脸上的困惑，听课代表细细道来：第一，根据法拉第电磁感应定律通过回路截面的电荷量9 = 也可知，磁铁 从线圈穿入到穿出整个过程CuO。而H图像中图线和坐标轴围城的面积表示 电荷量q,所以图线应在一、四象限均有分布，故排除选项C；第二，课代表回忆到在新课“楞次定律”一节中，笔者以“小磁铁在铜管中 龟速下落”的反常趣味实验作为引入。受此影响，学生将线圈等效成铜管，认为 小磁铁在穿入线圈后由于电磁感应产生阻碍其下落的安培力，并且很快和重力平 衡，使得小磁铁匀速下落。试想小磁铁所

3、处的状态是稳定平衡的，那么维持小磁 铁状态的各物理量都应不变，所以此时感应电流有且保持不变，故选择选项D。这样一分析，看来问题的症结是课代表将“多匝线圈等效成铜管”。笔者认 为物理上的假设是为了解释物理现象，假设本身不存在对错，只要能吻合特定现 象能自圆其说该假设在该情景下即为合理。基于这个观点，要想否定一个假设需 要用实验驳斥！环节二：粮草先行，利其器1 .实验材料亚克力板，亚克力合页，亚克力玻璃棒，塑料轴承，粗细不同的铜管，PVC 管，鳄鱼夹，8mm*7mm （直径*高度）圆柱形小磁铁，漆包线，保护电阻，朗 威微电流传感器和数据采集器等。2 .制作倾角可调节斜面取两根12*14*400mm

4、 （内径*外径*长度）的PVC管，在其中一根上绕制三 匝等间距的漆包线，记为管1;在另一根上连续绕制无间隙漆包线，构成螺线管, 记为管2；取两根12*16*400mm的粗铜管，在其中一根上用线切割割出一条沿 着中心线方向的细缝，记为管3；另一根不做任何处理，记为管5；取12*13*400mm 的细铜管，也不做处理，记为管4。3 .安装（如图2所示）。(a)(a)(b)环节三：格物致知，探其本1 .多匝线圈=单匝线圈拼接调节斜面至某一倾角固定，将小磁铁从管1静止释放，测量线圈中的微电流 如图3所示。由于笔者设计实验时3匝线圈间隔150m,而小磁铁体积小磁性相 对较弱，所以可近似认为小磁铁每经过某

5、匝线圈而产生的感应电流是单独作用于 该匝线圈的结果。图3显示共有3段类似波形，表示小磁铁分别经过3匝线圈时 对应的电流情况。乍一看，3段电流波形越来越紧密且其峰/谷值越来越大。笔 者利用朗威软件对图像求积分，发现3段电流波形中所有的正/负向电流图像和 坐标轴围城面积均为定值，为0.0114。如果我们把线圈的间距缩小，反映到图像 上就是相邻两段波形会彼此靠近。再靠近呢，出现的结果可能就是前一段的负向 电流和后一段的正向电流刚好抵消。单匝线圈彼此靠近拼接成多匝线圈，单匝线 圈彼此靠近电流会相互抵消。那么如果小磁铁在无穷多紧密排列的线圈中滑下， 我们以任意时刻下小磁铁的南北极分界线为对称轴，总能找到

6、电流大小相同方向 相反的一对线圈，例如图4中的线圈1和2, 3和4等等。按照这个逻辑，此时 线圈回路中的电流因抵消而总为0。而实际情况下，实验操作的并不是无穷多匝 线圈，我们只能把小磁铁在线圈中间区域的运动做上述近似处理，所以得到结论: 小磁铁在多匝线圈中滑下，运动到线圈中间区域时回路无电流。对管2重复上述实验步骤，如图5所示，实验结果和我们刚才的推理一致。 值得一提的是，笔者借助“冲淡重力”思想基于斜面得到上述结论，但只要改变 倾角，合理外推，实验结论也应该能契合垂直情形（选项A图像和图5的一致性 证明了这点）。图3图42 .多匝线圈W铜管回到学生的问题，为什么本题背景下不能把多匝线圈等效成

7、铜管？调节斜面 倾角调整为26固定，将小磁铁分别从管3,管4和管5静止释放，多次测量记录其在管中平均运动时间=3.93s r4= 1.98s4.49s （改变倾角，也能得到类 似数据）。管4和管5是完整的铜管，小磁铁下滑必然引起涡流，这是共识。而小磁铁在管3中下滑一定受到阻碍，细细想来罪魁祸首也只能是涡流产生的安培力，说明管3也有涡流。又因r，3,说明管5的涡流比管3的大。结 合两个对比可发现：第一，沿中心线方向切割处理只是破坏了绕中心线旋转的涡流；第二，完整铜管的涡流不仅仅只有绕中心线旋转的涡流。而假设线圈也做类似切割处理，回路中断然不能产生电流。综上，线圈中电 流方向确定而铜管的涡流可能朝

8、空间各个方向均有分量，是不确定的。所以本题 背景下，二者不能简单等效。环节四：事了拂身，回其味实验探究是高中物理核心素养中的重要一环。对于“线圈能不能等效成铜管” 的问题，课代表给出的依据“貌似充分”，显然学生是有一番认真思考的。像这 样开放式的问题，如果只是泛泛而谈会缺乏说服力，所以笔者寻求实验上的支持。 立足痛点，对症下药，设计实验，解决问题。理论和实验是物理并驾齐驱的两条线。理论预测实验，实验检验理论。一个 问题你总能找到一套正确的理论去解释，你也能通过一个实验去分析。本文中笔 者先呈现把多匝线圈看成单匝线圈叠加的详细过程，再揭示了等效成铜管的错误 性，其间抛开理论不讲，纯粹用实验的结果解释另一个实验现象，契合文章主题。 另外，本文中实验得到的i-t图像如图3可从理论上分析诸如“等间距线圈得到 的图像却是越来越近”“同是正向电流，第一段又矮又胖而第三段又高又瘦”等 问题，这里不便展开。巧用斜面。高考题描述的是小磁铁在竖直方向落入线圈的情景，这样可能存 在值得商榷的两个问题：第一，加速度大，下落快，图像特性不明显；第二，由 于人为操作，小磁铁静止释放后难保证不发生旋转，进而影响实验数据。基于以 上两问题，笔者设计斜面实验，一来不影响实验结果的前提下冲淡重力，二来 PVC管内壁是圆弧面，小磁铁是圆柱体，两圆内切，保证了小磁铁平稳下滑不旋 转。