巧用實(shí)驗(yàn)突破物理學(xué)習(xí)的思維拐點(diǎn)

周紀(jì)良

（寧波市鄞州區(qū)姜山中學(xué) 浙江 寧波 315191）

學(xué)習(xí)定勢是指學(xué)生對學(xué)習(xí)活動的心理準(zhǔn)備狀態(tài).學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)、知識結(jié)構(gòu)、思維方式，以及需要、愿望、態(tài)度等都能構(gòu)成其學(xué)習(xí)的心理準(zhǔn)備狀態(tài)，對學(xué)習(xí)發(fā)生定勢作用，從而對學(xué)習(xí)活動產(chǎn)生影響.學(xué)習(xí)定勢對學(xué)習(xí)有積極的作用，也有消極的作用.學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中往往存在各種學(xué)習(xí)定勢，如思維定勢、視覺定勢等.例如，在“互感和自感”一節(jié)學(xué)習(xí)中，學(xué)生存在以下思維定勢.

（1）之前在學(xué)習(xí)直流電時(shí)，認(rèn)為線圈是普通導(dǎo)線或電阻，在簡化恒定電路的過程中又視為短路.這一定勢會制約學(xué)生對自感和變壓器電路的正確分析.

（2）教材中直接給出兩個(gè)電路演示通電和斷電時(shí)的自感現(xiàn)象，這種方法往往會使學(xué)生形成一個(gè)電路只出現(xiàn)一種自感現(xiàn)象的思維定勢，學(xué)生也難理解這樣設(shè)計(jì)兩個(gè)電路的原因.

（3）演示斷電自感現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生只能看到燈泡突閃一下后熄滅，給學(xué)生頭腦中形成斷電自感電動勢的作用只是使電路中電流增大一下的錯(cuò)誤思維，而且沒有顯示燈泡中的電流方向的變化.

（4）學(xué)生對瞬時(shí)高壓自感電動勢和磁場能量的認(rèn)識，可以從理論上推理，但不一定信服.

為使學(xué)生克服學(xué)習(xí)定勢帶來的障礙，找到思維的拐點(diǎn)，撥正思維的方向，我們設(shè)計(jì)了一系列傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化演示實(shí)驗(yàn).

1 徒手取電實(shí)驗(yàn)——線圈功能的再認(rèn)識

我們設(shè)計(jì)了如圖1所示的“徒手取電實(shí)驗(yàn)”，線圈L1接220V交變電壓，燈泡直接用導(dǎo)線連接，通過增加L2纏繞在鐵芯上的匝數(shù)，最終燈泡能發(fā)光嗎？在學(xué)生不斷地增加線圈L2匝數(shù)的過程中，燈泡逐漸地由暗變亮，此過程說明線圈L2成了電源.因通過線圈L1的電流變化，使穿過線圈L2的磁通量發(fā)生變化，線圈L2中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢.

圖1

2 通電自感電路的設(shè)計(jì)——顯示對比實(shí)驗(yàn)的魅力

在如圖2所示電路中，學(xué)生能根據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律推斷出，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，通過線圈的電流增大，

圖2

圖3

在線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.但要學(xué)生真的相信，必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn).由楞次定律判斷，感應(yīng)電動勢與電源電動勢是反接的，這樣必然會對回路電流產(chǎn)生影響，用串聯(lián)燈泡的亮度變化來顯示（圖3）.演示后，通過小燈泡A1的發(fā)光情況，很難判斷線圈中是否有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生.到底是自感現(xiàn)象沒有產(chǎn)生，還是小燈泡的發(fā)光變化不明顯而觀察不清楚？能不能再用一個(gè)開關(guān)合上立即就亮的燈泡作“對比”呢？學(xué)生設(shè)計(jì)了如圖4所示的通電自感的演示電路.這樣就突破只從線圈支路找原因的定勢，另辟蹊徑找到了學(xué)生的思維拐點(diǎn).

3 斷電自感電路的設(shè)計(jì)——視覺定勢的突破

如圖4所示，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，學(xué)生能從理論上推得線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.實(shí)際上，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，兩燈A1，A2都熄滅了，看不出有延時(shí)效果，使學(xué)生形成用此電路只會發(fā)生通電自感的思維定勢.燈泡的亮度并不與電流的大小成正比，因而不能正確地反映電流的大小，也不能指示電流方向.為此，我們用靈敏度高的DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究通電自感和斷電自感現(xiàn)象，DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成即傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī).旋下兩個(gè)小燈泡，將兩個(gè)電流傳感器串聯(lián)在原來兩個(gè)燈泡的位置.閉合和斷開S即可通過計(jì)算機(jī)上的DIS通用軟件界面觀察到線圈中電流變化的圖線（圖5）.可以觀察到：通電后，通過小燈泡A1的電流逐漸增大，推遲了電流達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間；斷電后，燈泡A1的電流從原值逐漸減小為零，電流方向不變.通電后，通過小燈泡A2的電流迅速增大到一個(gè)峰值（圖5中凸起處），然后穩(wěn)定下來；斷電后，燈泡A2的電流立即反向，電流的大小逐漸減小為零.經(jīng)分析，斷電后流過小燈泡A2的電流不是原來電流，而是線圈中的感應(yīng)電流.DIS測量就解決了因燈泡在視覺上顯示不出電路中電流的瞬間動態(tài)變化的視覺定勢，并充分體現(xiàn)了DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在——量化功能.

圖4

圖5

那么，我們就找到了燈泡由亮到更亮的視覺拐點(diǎn)顯示斷電時(shí)的自感電動勢作用，使原電路有線圈支路的電流要大于燈泡A2支路的電流.這樣當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢與燈泡A2構(gòu)成串聯(lián)回路，造成流過燈泡A2的感應(yīng)電流起先大于原來穩(wěn)定時(shí)的電流，燈泡A2先閃亮一下再熄滅.為此，必須使線圈支路的直流電阻小于燈泡A2支路的電阻.學(xué)生提出要么將燈泡A1去掉，要么將燈泡A1連接到燈泡A2支路.為使電路結(jié)構(gòu)簡單，我們用如圖6電路演示通電自感.于是，學(xué)生就明白了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)意圖.當(dāng)然，為了顯示斷電自感的感應(yīng)電流方向，提示學(xué)生可以利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦愿倪M(jìn)電路設(shè)計(jì).

圖6

4 點(diǎn)燃酒精燈實(shí)驗(yàn)——感受瞬時(shí)高壓自感電動勢

學(xué)生在學(xué)習(xí)自感現(xiàn)象的防止的實(shí)例——油浸開關(guān)時(shí)，當(dāng)含有線圈的電路中開關(guān)斷開時(shí)會產(chǎn)生很大的自感電動勢，對此學(xué)生將信將疑，往往只是從公式理性上認(rèn)識自感電動勢大小，感受不深.我們模擬了用自感點(diǎn)燃酒精燈的小實(shí)驗(yàn)（圖7）.用6V直流電源與自感線圈（利用身邊的日光燈鎮(zhèn)流器中的線圈）串聯(lián)，其中兩根導(dǎo)線削去絕緣，先使裸體金屬導(dǎo)線接觸并靠近酒精燈芯.接著迅速斷開觸點(diǎn)，這時(shí)酒精燈被點(diǎn)燃.因?yàn)榫€圈L中的電流急劇減少，產(chǎn)生很大的自感電動勢，它和電源電壓疊加起來產(chǎn)生高電壓，使空氣電離產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃酒精燈.這樣學(xué)生對斷電時(shí)線圈中產(chǎn)生更大的電動勢深信不疑.同時(shí)，可引導(dǎo)有興趣的學(xué)生來研究汽車的點(diǎn)火裝置原理.

圖7

5 點(diǎn)亮節(jié)能燈管實(shí)驗(yàn)——相信磁場能量的存在

教材中關(guān)于磁場的能量，是通過能量的轉(zhuǎn)化和守恒的思想作出的一個(gè)合理假設(shè)：線圈的磁場中儲存了能量.學(xué)生只是知道有磁場的能量，很難相信線圈中真的存在磁場能量.我們做了點(diǎn)亮節(jié)能燈管實(shí)驗(yàn)（圖8）.節(jié)能燈管越靠近接通電源的輝光球，亮度越高.節(jié)能燈管發(fā)光說明它接收了能量，而在輝光球附近存在的是電磁場，顯然是電磁場提供了能量.

圖8

綜上所述，在物理教學(xué)中要注重研究學(xué)生可能存在的各種思維、視覺、前概念等定勢，有針對性地、創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)適合的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)誘發(fā)思維，將新舊知識的矛盾尖銳地?cái)[在學(xué)生面前，使他們的思維處在激烈的非平衡態(tài)中，以突破學(xué)生學(xué)習(xí)的思維定勢.運(yùn)用實(shí)驗(yàn)去點(diǎn)撥思維，可起到“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)就分明”的效果.