讓物理學(xué)科核心素養(yǎng)之花在實(shí)驗(yàn)中綻放

李娟 張曉 吳秀梅

本文以探究直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化為例，闡述在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體做法。

一、充分分析，確定教學(xué)目標(biāo)

初中教材介紹了直流電動(dòng)機(jī)的原理、主要構(gòu)造及能量轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生親歷簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)的組裝。指出直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。高中教材安培力、洛倫茲力的定量學(xué)習(xí)及功的概念加深學(xué)生對(duì)電能和其他形式能轉(zhuǎn)化本質(zhì)的理解。反電動(dòng)勢(shì)的引入幫助學(xué)生從宏觀和微觀理解電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的本質(zhì)。

高二學(xué)生已經(jīng)知道：能量守恒定律、焦耳定律、磁場(chǎng)的基本性質(zhì)、電磁感應(yīng)等，能根據(jù)電路圖正確連接電路，會(huì)檢查與分析可能存在的簡(jiǎn)單電路故障。能正確按照實(shí)驗(yàn)步驟操作，會(huì)數(shù)據(jù)處理的一般方法，有一定的計(jì)算能力。學(xué)生思維活躍，但在遇到實(shí)際問題時(shí)有些同學(xué)不注意觀察、分析和推理，有時(shí)不能深入理解規(guī)律的適用條件，造成錯(cuò)誤。

根據(jù)以上分析結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)和課程標(biāo)準(zhǔn)制定本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)。物理觀念：深入理解直流電動(dòng)機(jī)的工作原理及工作過程中能量轉(zhuǎn)化。理解反電動(dòng)勢(shì)在直流電動(dòng)機(jī)中的作用[1]?？茖W(xué)思維與科學(xué)探究：會(huì)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)方案并對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。能根據(jù)優(yōu)化方案定量獲得直流電動(dòng)機(jī)輸入的電能和輸出的機(jī)械能、電熱。會(huì)分析誤差來源?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、合作意識(shí)及嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)習(xí)科學(xué)技術(shù)的興趣及用物理語言描述事實(shí)的表達(dá)能力。

本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械能的測(cè)定，重點(diǎn)是直流電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

二、定性研究直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化

課前讓學(xué)生自己取材，制作簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)。一是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，二是希望學(xué)生再次重溫直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，了解其工作原理及能量轉(zhuǎn)化。課中讓簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并讓學(xué)生觀察、觸摸，同時(shí)給學(xué)生提出開放性的問題：你觀察到什么？感受到什么？你能想到什么？以此來發(fā)散學(xué)生思維，重溫學(xué)生學(xué)習(xí)的有關(guān)電動(dòng)機(jī)的知識(shí)。

演示實(shí)驗(yàn)：觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時(shí)電流表示數(shù)的變化。引發(fā)學(xué)生思考：電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的本質(zhì)原因——是通過反電動(dòng)勢(shì)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[1]，得出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)時(shí)兩種等效電路，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)等效為純電阻電路，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)等效為一個(gè)理想電動(dòng)機(jī)和電阻的串聯(lián)。給學(xué)生原來記憶的知識(shí)提供理論支持，加深學(xué)生的理解。

三、理論探究------制定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行優(yōu)化

經(jīng)過定性分析學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到直流電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電熱，這些能量之間定量關(guān)系是什么？輸入的電能和產(chǎn)生的電熱容易計(jì)算，但輸出的機(jī)械能不能直接測(cè)得。在教學(xué)中先讓同學(xué)們自選器材，設(shè)計(jì)方案，再將方案展示給其他同學(xué)，其他同學(xué)提出質(zhì)疑，本小組再進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使自己的理論方案簡(jiǎn)單、可控、誤差小。此處一方面是鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，另一方面能在別人的質(zhì)疑中梳理自己的思路，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)。

學(xué)生的設(shè)計(jì)方案如下：

方案1：如圖2所示。原理：能量守恒定律。電動(dòng)機(jī)拉力的功等于電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能。需要測(cè)拉力F、物體上升的位移h、對(duì)應(yīng)這段位移的時(shí)間t。在問辯過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)此方案有以下不足：拉力不好測(cè)量，重物上升h對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間用秒表測(cè)量誤差大。

方案2：如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)：不需要平衡摩擦。力傳感器測(cè)量電動(dòng)機(jī)中的拉力，記錄小車經(jīng)過光電門位置的速度，可求出光電門位置的電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)機(jī)械功率。不足：小車上的儀器不好固定，電壓表電流表瞬時(shí)值讀取誤差大，改用電流電壓傳感器又受數(shù)據(jù)線的影響。小車經(jīng)過不同位置時(shí)電動(dòng)機(jī)拉力的瞬時(shí)功率不同，用瞬時(shí)值測(cè)量誤差較大。

方案3：如圖4所示。用動(dòng)能定理求一段時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能。將滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上，利用電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)固定，不需要測(cè)拉力，運(yùn)動(dòng)時(shí)間可通過光電門讀出。不足是實(shí)驗(yàn)室的氣墊導(dǎo)軌氣流不均勻?qū)е禄瑝K受力復(fù)雜，在一段距離上電流電壓的值不穩(wěn)定。

這三種方案原理可行，但實(shí)際操作中都有較大誤差。在這種情況下，引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)分析改進(jìn)方案，不放棄。找出在實(shí)驗(yàn)室條件下的最優(yōu)化方案。同學(xué)們討論后發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方案1比較容易實(shí)現(xiàn)。

改進(jìn)： 讓電動(dòng)機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)物體勻速上升，此時(shí)拉力等于物體的重力。

在豎直方向上不同的位置處安裝光電門，如果通過兩個(gè)光電們的時(shí)間近似相等，則可認(rèn)為在兩個(gè)光電門的高度差內(nèi)，重物做勻速直線運(yùn)動(dòng)。重物上升h對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，可用光電門測(cè)量。經(jīng)過改進(jìn)方案1存在的誤差減小很多。多次改變滑動(dòng)變阻器阻值，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重物經(jīng)過兩個(gè)光電門的時(shí)間差約為5ms，通過這段距離所用的時(shí)間為500ms，可近似認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在豎直方向勻速運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)方案確定之后，再引導(dǎo)學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)。（如圖5 所示）

學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，自覺、主動(dòng)地和教師、教材、同學(xué)、教具相互作用，進(jìn)行信息交流，形成了一種積極參與的學(xué)習(xí)氣氛，同時(shí)創(chuàng)造了一個(gè)思維活躍的環(huán)境。學(xué)生的思維在開放、發(fā)散中漲落，在求異、探索中又趨于有序。這又緊緊圍繞了伽利略的科學(xué)研究方法。

四、實(shí)驗(yàn)探究，得出結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果看UIt>E+Q，這與之前定性結(jié)論不符，此時(shí)讓學(xué)生觀察自己的直流簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)思考誤差的來源。同學(xué)們意識(shí)到通電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)能會(huì)有損失，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)軸和支架之間摩擦產(chǎn)生熱能散失在空氣中。這些能量以目前所學(xué)的知識(shí)無法通過實(shí)驗(yàn)定量測(cè)量。

經(jīng)過一系列思考，學(xué)生深刻理解了直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化。在實(shí)驗(yàn)課上以落實(shí)學(xué)生的實(shí)際獲得為核心，多種方式培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。提高學(xué)生研究其他未知科學(xué)問題的興趣，增強(qiáng)解決困難的信心和勇氣。