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1、定量实验在自感现象中的教学探究 摘要对物理状态、过程作定量的观测,可以使认识事物的特性、特征向更深层次的本质认识发展。将“新系统”引入自感现象实验教学,把自感现象实验从“观察”跃迁到“观测”,这一跃迁是定性实验难以做到的,这样的新跃迁在力、热、声、电、磁、光中均有体现。新技术的应用不仅提高实验的精度,更重要的是使实验得到以往传统器材无法得到的数据,精细地对稍纵即逝的物理变化信息的采集和分析处理能很好地帮助学生理解物理规律。 物理学是一门以实验为基础的研究物质结构和相互作用及其运动基本规律的学科。实验教学的质量很大程度上决定物理教学效果。 中学物理课程要求学生认真观察演示实验和做好分组实验。物理
2、实验在物理课程中的地位是十分重要的。实验中有许多奇妙的现象,可能是新奇的、令人惊讶的、意想不到的,它能激发学生的好奇心和求知欲,让学生享受物理过程的美妙;做物理实验需要学生去观察、发现,提出许多的问题,这对于培养学生的问题意识、观察能力,从根本上激发学习的内在动机,是十分有益的;实验中渗透着科学家进行探究的思想和科学方法,而这种科学方法只能靠实践的感受、体验和领悟而为学生逐步掌握。 定性观察实验要求对物质的组成有所了解,但仅仅涉及到性质。比如“颜色”仅是对色彩的定性辨别。定量观测要求到物质的组成以及在各物质的含量问题。比如“频率(或波长)”则是对色彩的本性的本质认识。 对物理状态、过程作定量的
3、观测,可以使认识事物的特性、特征向更深层次的本质认识发展。 当然,定性观察和定量观察是相辅相成的,对某些物理现象只要作定性的实验观察,让学生大体了解这些物理现象就可以了;对某些物理现象就要争取在定性观察的基础上做到定量的观测,以帮助学生更好地理解物理规律、定理。做好定量观测实验始终是我们的不懈追求。 回顾近二十几年以来我们的中学物理教科书,不难发现一旦条件基本具备,教科书就会不失时机地增加一些新的定量实验内容,比如,利用气垫导轨、光电门、毫秒计时器(数字显示测试仪)及打点计时器定量观测一系列运动学、动力学物理问题;等势面描绘;电子束在电场、磁场中的偏转;双缝干涉测波长等等,不胜枚举。 近年来,
4、由各种传感器、数据采集器、计算机软件(Sensor, data acquisition, computer software)构成的新实验辅助系统(以下简称“新系统”)正在我国中学物理实验教学中逐步被推广应用。特别是实行新课改后,新版的人教版、沪科版、粤教版、苏科版等版本教材都不同程度地使用了目前最高档次的“新系统”。新技术的应用不仅提高实验的精度,更重要的是使实验得到以往传统器材无法得到的数据,开拓了学生的思维空间。 笔者在自感现象这一节课的教学中,将定性实验和“新系统”下的定量实验有机结合,取得了较好的教学效果。现做如下介绍: 课题:自感现象 1 通电自感 (1)定性实验。实验器材:直流电
5、源E、开关K、线圈L、变阻箱R、两只相同参数的小灯泡A1和A2、导线若干连接成的示教板(电路如图一所示)。 定性实验得到的实验现象:接通电源,可以明显地看到,跟电感线圈L串联的小灯泡A1达到正常亮度所用的时间明显地比跟变阻箱R串联的小灯泡A2长(本节课的中心内容之一)。 解释现象:略(本节课的中心内容之一;教科书中有准确的描述,故在此略去)。 (2)“新系统”定量实验。将两个电压传感器分别并联在灯A1、A2两端,重做上述实验,除了观察到上述同样的现象外,“新系统”适时采集到了A1、A2两端电压V1、V2随时间变化情况,并将数据用图像描述显示到屏幕上(图二)。 观测分析“新系统”记录的V-t图像
6、:绿、红两图线分别是A1、A2两端电压在开关通、断过程中随时间变化的情况。 图像明显描述了闭合开关接通电源时V1比V2延迟的情况,在图二中可以读出延迟时间大于0.15秒,实际操作时完全可以通过时间轴拉伸、坐标测量等方法准确读出其延迟时间(本节课的中心内容之一)。 还观测到断开电源后V1的衰减和V2的反向及快速衰减的情况。为什么通电时V1的延迟时间比断电时V1、V2的衰减时间长?V2为何反向?V1、V2的衰减时间为什么一样长?这几个问题成为“新系统”定量实验的“节外生枝”,如果电路参数发生变化,这些节外生枝的细节也会有变化。处理好这几个问题对学生深入理解自感现象的本质有着重要的意义,同时也为第二
7、个实验做了一个铺垫。 接通电源后V2为什么没有立即达到最大值?这是本实验的又一个“节外生枝”。 合理的解释应该是:灯丝电阻在灯被点亮过程中,阻值随温度作非线性的变化,温度升高,阻值增大,电流、电压也就有了一个增大的过程。 (3)为了证实这一解释,我们改用两个10欧左右的定值电阻代替灯A1和A2,重做上述实验。实验观测结果见图三。 观测分析“新系统”记录的V-t图像: 用定值电阻代替小灯泡后,与电阻箱串联的电阻R2两端的电压V2是立刻跳至最大值,这表明上述解释是正确的;与电感线圈串联的电阻R1两端电压V1仍有0.1秒的延迟,这表明延迟时间的长短与电路中的电阻值相关。 稳定后的V1、 V2比V1、
8、V2大,表明灯丝的热电阻小于10欧。 断电衰减时间也发生稍许变化,表明断电衰减时间和通电延迟时间相似,都与电路中的电阻值相关(注),但主要的原因还是线圈的自感电动势。同时,由于电路中电阻发生变化,断开电源后加在R2两端的反向电压也与加在灯A2的反向电压不同,这表明断开电源后,线圈产生的感应电动势在回路中的分配与回路中各电阻阻值大小有关。 2 断电自感 要明显观测到断电自感现象是不能再用图一所示的电路了,如同课本所述,我们改用图四所示电路探讨断电自感现象。 在实验一的a、b中我们已经知道,断开电源瞬间,加在与电感线圈并联的小灯泡两端电压是反向的,为了观察这一现象,我们在电路中并联一只发光二极管,
9、使其极性与电源极性相反,接通电源时,发光二极管加的是反向电压,不亮。串联一只电阻是为了保护发光二极管正向导通时不因电流太大而烧毁。 将电压传感器并联在电路中,我们先注意观察电源通、断时灯和发光二极管亮度变化情况,而后再慢慢分析“新系统”为我们记录下来的数据图表信息。 观察到的现象:接通电源后,小灯泡发光正常,发光二极管不亮。断开电源时,小灯泡没有立即熄灭,相反,小灯泡会很亮地闪一下,同时,发光二极管也闪了一下(本节课的中心内容之一)。 解释现象:略(本节课的中心内容之一)。 观测分析“新系统”记录的V-t图像(图五): (1)“新系统”记录了在断开电源瞬间有一反向电压加在与电感线圈L并联的小灯
10、泡两端,这个约10伏的断电自感电动势远大于电源的路端电压(本节课的中心内容之一)。 可是,它很快就衰减到零(“节外生枝”之一),从图五左边时间轴被放大后的局部图中可以读出其衰减时间不足0.01秒。当然,关于衰减快慢等问题一定会在同学们的脑海中打好几个问号,我们知道,关于时间常数等问题不易在课堂上讲,不过,留给同学们一些思考空间是很有益处的。 (2)我们当然已经注意到“新系统”记录下的接通电源时的情况(“节外生枝”之一),在接通电源瞬间电压有7.8伏而后很快降低到较稳定的5伏左右,这是为什么?我想,解释这一现象并不难,同学们也是可以接受的,不妨用些时间解惑。 从图五中我们知道,“新系统”测量记录
11、的是电源的路端电压,接通电源,电路稳定后,并联的外电路等效电阻很小(用1毫米直径的铜漆包线在直径3厘米、长20厘米的铁心上绕300匝左右的线圈的直流电阻约只有0.5欧(实测),8伏3瓦的小灯泡热灯丝电阻约20欧),电源输出的电流很大,电源内压降就大,而开关闭合瞬间,由于感抗作用,电流相对很小,即接通电源时电路遵循U=E-Ir规律。我们可以比较实验一(c)及图三得以证实,实验一(c)电路的并联等效电阻较大(用整个自耦变压器线圈的直流电阻RL约11欧,定值电阻10欧,另一支路中的变阻箱本来就是用来平衡RL的),所以接通电源时Ir的变化不大,电压图线仅稍许“上扬”。 3 自感系数 用实验一电路中的电
12、感线圈(自耦变压器)替换实验二电路中的电感线圈,重做断电自感实验,将“新系统”记录的图像与实验二的图五比较,说明自感系数与什么因素有关(本节课的中心内容之一)。 (下转第173页)(上接第167页) 将“新系统”引入自感现象实验教学,把自感现象实验从“观察”跃迁到“观测”,这一跃迁是定性实验难以做到的。这样的新跃迁在力、热、声、电、磁、光中均有体现。新技术的应用不仅提高实验的精度,更重要的是使实验得到以往传统器材无法得到的数据,精细地对稍纵即逝的物理变化信息的采集和分析处理能很好地帮助学生理解物理规律。实验中还有可能出现许多奇妙的现象,可能是新奇的、令人惊讶的、意想不到的,这些“节外生枝”更能激发学生的好奇心和求知欲,让学生享受物理过程的美妙,开拓学生的思维空间。当然,我们教师对演示实验过程中的“中心内容”和“节外生枝”完全可以根据学生、教材等课堂的具体情况作妥善处理,孰重孰轻全凭教师的技艺了。特别应该说明的是,我们不能因为将“新系统”引入实验教学会出现一些“节外生枝”而排斥“新系统”,所谓“节外生枝”实际都是物理之本征,它们本就存在着,只是“新系统”将它们显现出来罢了,如何避轻就重才是我们要关注的。