利用手工制作突破电磁学难点的探索与思考

徐 平

(海安县南莫中学 江苏 南通 226681)

电磁学是中学物理知识的交汇点，既是教学的重点又是难点.这部分内容抽象，师生普遍感到难教、难学.但如果发挥手工制作的优势，引导学生合作化学习，激发其好奇心和探究欲，就能化难为易，让学生品尝到学习的快乐.

1 绕定点平转粒子运动轨迹清范围明

1.1 材料及制作

材料：白纸(8K)1张，硬纸板(15 cm×15 cm)1张，蜡红纸(10 cm×10 cm)1张，圆规、图钉、剪刀各1个，纸胶.

制作：以同桌两学生为一小组.用圆规在硬纸板上画一个半径约为6 cm的圆，用剪刀剪下并在圆心O处开一小孔，从蜡红纸上剪下一箭头，并将其用纸胶贴到圆纸板的边缘(表示粒子的运动方向)，再用图钉钉在贴有箭头处，然后将它们一起钉到白纸的中央.在白纸上标明垂直于纸面向里的匀强磁场.

1.2 创设情境提出问题

有一不计重力，带正电的粒子源位于O处，以平行于纸面、不变的速率，向各个方向射出粒子(其轨道半径恰好为硬纸板的半径).

利用上述小制作，猜想、分析推理、讨论交流，探究如下课题.

(1)粒子所能到达的最大区域

1)在纸面内向下射出粒子的运动轨迹；

2)它所能达到的最大范围；

3)向不同方向射出粒子，其轨迹有何特点？

4)怎样得到各种情况下的轨迹？

5)如何画出粒子所能到达的最大区域？

合作实验：学生刚完成制作，很兴奋，立即能感悟到向各个方向射出粒子的轨迹都是半径相同的圆.装好硬纸板后，早就尝试着旋转圆纸板得到粒子能达到的最大范围.他们将铅笔紧靠纸板边缘，让纸板旋转一周画出粒子所能到达的最大区域(如图1中以O为圆心，半径为纸板直径的圆).

图1

(2)粒子轨迹圆圆心的轨迹

合作实验：有了上述基础，学生很快能将铅笔置于圆纸板圆心的小孔处，让纸板旋转一周便得到了粒子轨迹圆圆心的轨迹(如图中1以O为圆心，半径为纸板半径的圆).

(3)粒子打到挡板上的范围

情境拓展：再假设距粒子源距离为轨迹圆半径的地方放置一挡板(从蜡红纸上剪下一长窄条贴于此处，作为挡板的标志)，利用小制作探究向各个方向射出粒子能打到挡板上的范围.

合作实验：多数学生能够通过旋转纸板得出和挡板相交的

图2

两个最远点，领悟到一个临界点为下方距粒子源为轨迹圆直径的地方，另一临界点为上方的轨迹圆与挡板相切处(图2).

(4)粒子可能经过的区域

图3

情境拓展，再引问题：水平放置一平板MN(板上O处有一小孔)， 其上方有一垂直于纸面向里的匀强磁场.从小孔O向各个方向射入许多质量、速率、电荷量均相同，不计重力的带正电的粒子(图3)，探究这些粒子可能经过的区域.

图4

合作探究：带电粒子的速度方向可变，它们在磁场中的运动轨迹是位于平板上方通过O点的一系列圆弧.置于O点的圆纸板以O为转动点旋转所扫过的区域，即为粒子可能经过的区域(图4).

1.3 思维障碍的跨越

探究在水平面内某粒子源向各个方向发射的粒子所能到达的最大区域、轨迹圆圆心的轨迹、粒子打到挡板上的范围以及可能经过的区域，这些新颖课题对学生来说具有很强的吸引力，激发了他们的好奇心.他们通过猜想、推理分析、争辩、操作论证，最终得出结论，成功感油然而生.还可对以前模糊认识进行反思、矫正，生成创新火花.如利用小制作，还能提出和解决哪些问题？小制作还可以做哪些改进？这些都潜移默化地培养了学生的创新能力.

2 绕定轴翻转求磁通量变化转愁为喜

2.1 材料及制作

材料：白纸(8K或16K)1张，红水笔1支，纸胶(或胶带)，剪刀.

制作：从白纸上剪下边长为12 cm的正方形，用红水笔将一面涂红，并将一边贴在笔芯上(笔芯作为转轴，如图5).

2.2 合作实验探究未知

创设情境：桌面所在的水平面内存在着竖直向下的匀强磁场，有一矩形单匝线圈置于水平面内.要求利用小制作完成下列探究.

(1)线圈绕一边为轴旋转180°的过程中，磁通量的变化量.

(2)线圈绕一边为轴旋转135°的过程中，磁通量的变化量.

合作实验：多数学生能够通过线圈绕轴旋转感悟到从红色穿进白色穿出与从白色穿进红色穿出时磁通量的不同，具体实验如图5,6.

图5 图6

2.3 思维障碍的跨越

磁通量的变化为两标量之差.学生往往受两正数相减的惯性思维影响而出错.利用小制作的合作实验，让学生亲身体会到对同一平面从相反方向穿过时磁通量的不同，又通过相互讨论得出：同一平面的不同穿法可用正、负号表示，如从红色面穿进,白色面穿出时为正；从白面穿进，红色面穿出时为负.先确定正负再相减.这样,学生的理解会达到一定的深度，求标量的变化问题就会迎刃而解.

3 展示运动细节电流变化规律变容易

3.1 线框在磁场中绕定轴转动时感应电流方向的确定

(1)材料与制作

材料：白纸(8K)1张，胶带，水笔，剪刀.

制作：从白纸上剪下边长为12 cm的正方形，用红色水笔将一面涂红，并在4个顶点标上a,b,c,d,用4～5 cm的胶带，使其一段贴在ab边的中点，另一段用手提着悬于空中(图7).

图7

(2)合作实验探究未知

创设情境：在磁感应强度大小为B，方向竖直向上的匀强磁场中，有一质量为m，阻值为R的闭合矩形金属线框abcd,用绝缘轻质细杆悬挂在O点，并可绕O摆动.金属线框从右侧某一位置静止开始释放，在摆动到左侧最高点的过程中，细杆和金属框平面始终处于同一平面，且垂直纸面.利用小制作探究线框中感应电流的方向.

合作探究：同组的学生结合小制作按步骤探究，最后归纳磁通量变化和感应电流方向的判断方法.

(3)思维障碍的跨越

线框从右侧下摆至左侧最高点的过程中，若在右侧时线框abcd红色面朝右上，磁感应线从白色面穿进红色面穿出，摆到左侧时磁感应线从红色面穿进白色面穿出，磁通量的正负发生了变化；线圈的左右位置互换.这些都给学生判断感应电流的方向带来了思维障碍，稍不留神就会出错.学生从动手制作和讨论中，体会到磁通量的正、负和线圈左右位置变化对感应电流方向的影响，领悟到用线圈的涂色、标号解决问题的优越性(答案为d→c→b→a→d).

3.2 线框在磁场中平动时感应电流方向的确定

(1)材料与制作

材料：白纸1张，水笔，剪刀.

制作：从白纸上剪下两块边长为12 cm的正方形，并将其中一块沿对角线折叠后放开，用红色水笔沿折线画一虚线，在纸面内画一垂直于纸面向里的匀强磁场，两顶点标上字母a，b.将另一块沿中线折叠后放开，也用红色水笔沿折线画一虚线.

(2)合作实验探究未知

创设情境：如图8，一个边长为l的正方形虚线框内有垂直于纸面向里的匀强磁场.一个边长也为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直.虚线框

图8

对角线ab与导线框的一条边垂直，ba的延长线平分导线框．在t=0时，使导线框从图示位置开始以恒定速度沿ab方向移动，直到整个导线框离开磁场区域．

合作探究：同桌的两学生，一人将一正方形作为磁场固定，另一人让正方形线圈的中线沿磁场的对角线缓慢移动，线框穿过磁场的复杂过程尽收眼底，很容易得出线框中感应电流随时间的变化规律，进而作出i-t图线.

(3)思维障碍的跨越

图9

正方形线圈沿正方形磁场的对角线移动的过程中，随着线圈两边分别进入、移动、离开，切割磁场边的有效长度不断变化，总感应电动势不断变化，导致感应电流的大小和方向随时间变化，这是作i-t图像的难点.通过缓慢地移动，展示线圈运动的慢镜头，省去作繁杂的过程图；有效切割长度的变化、感应电动势的叠加和感应电流的变化会体现得淋漓尽致.又通过合作讨论，加深对感应电流正负的规定、横(纵)轴及坐标的选取、单位的确定、电流与时间规律的理解(其正确答案如图9).

4 结束语

利用手工制作，突破电磁学难点的案例还远不止这些.它的意义在于创设了新颖的情境，丰富了学生的情感体验，营造了轻松愉快的学习氛围，赋予学习活动的新奇感，使学生的认知过程变得有趣；在于让学生感受到“科学就在我身边”，体验科学真实性的实践；在于引导合作化学习，让学生成为学习的主人；还在于敲开学生的思维源泉，培养动手和创新能力；在于不花钱，能解决许多有价值的大问题.

著名物理教育家朱正元教授早在20世纪70年代就倡导“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，并为此终生示范，至今仍为广大中学物理教师所称道.在实施新课程的今天，我们更有必要身体力行，将这种思想发扬光大.