一个失败物理演示实验的浴火重生

胡海飞

(浙江省诸暨市浬浦中学,浙江 诸暨 311824)

众所周知,演示实验作为一种教学手段在课堂教学中是无法替代的,所以它理所当然是值得物理教师在课前认真准备和研究.笔者在讲授“通电导线在磁场中受到的力”这节课时,特地准备了学校实验室全新引进的J2448型安培力演示器.为了能激发更多学生学习物理的兴趣,培养他们的探究能力,在备课时根据教材设计好如下的实验方案.

(1)让学生仔细观察铜棒受力方向,再上下交换磁极的位置,看安培力是否改变.

(2)改变铜棒的电流方向,观察其受力方向是否改变.

(3)增大铜棒中的电流,定性判断受力大小是否改变.

(4)改变磁感强度与电流方向的夹角,观察安培力是否改变.

笔者的意图是想借助这个演示实验,引导学生去探究安培力的大小和方向跟哪些因素有关.以此来激发他们的兴趣和求知欲,从而达到让学生熟练掌握“左手定则”这条规律.

图1

图2

演示实验:全新的J2448型安培力示器一套(如图1).用J1202型学生电源作为外接电源.串联1只滑动变阻器用来控制铜棒中的电流大小.等连接好电路,接通开关后却发现铜棒几乎一动不动.现象不明显说明实验有问题,分析其原因,估计有几个可能:可能是接触不良.立即重新检查了电路的接线有没有到位,为防止大电流引起铜棒和轨道表面的氧化.重新用砂纸多次地打磨铜棒和轨道,再次接通电源,铜棒还是一动不动.也可能是轨道不够平整,重新调整了轨道的平整程度,接通电源后铜棒还是不动.还有可能是通电电流不够大的缘故.为了增大电流,减小滑动变阻器接入部分的阻值,通过铜棒的电流甚至到了电源的过载保护,铜棒还是一动不动.最后认定可能是安培力过于“微弱”,所以根本推不动长铜棒.赶紧换上短铜棒,再次接通电源,铜棒终于向预定的方向缓慢地移动了.重复实验,小铜棒真的能够在安培力作用下移动了.尽管实验现象不够明显,但毕竟调试成功了,笔者满怀信心地走进了课堂.

课堂演示时,铜棒又不动了.好在早有心理准备.重新调试仪器,排除了电路接触不良,增大了通电电流、把长铜棒换成了短铜棒一切都按着课前事先准备的预案重新操作着.可结果是铜棒要么一动不动,要么只是轻微地左右摇晃,甚至有几次铜棒竟毫不犹豫地向着预定的反方向移动了.面对如此得来的实验现象,笔者当时真是束手无策.学生们也被这个实验现象搞得一头雾水,本来燥动的教室刹时也变得格外安静.铜棒一动不动或许还可凑合着解释,它居然毫不犹豫地向着反方向前进了,对于这个意外现象笔者当时真的无法自圆其说了.意味着这个实验演示失败了.笔者心里当时真的“冰”到了极点！演示出现意想不到的情况,为了能把课继续上下去,当时真有这个念头,想把失败简单地归结于“仪器有毛病”、“实验本身现象就不明显”等托辞,准备“强行”让学生接受“左手定则”这个结论.转眼又意识到一直以来我们的物理教学的本身就要培养学生严谨求实的作风,在演示实验的过程中也必须保证过程的真实性和结论的可靠性,课堂上是容不得笔者如此弄虚作假.如果这样做可能会使学生对教师的能力和物理规律本身同时产生怀疑,这样的课堂教学效果反而会适得其反.

笔者坚信“左手定则”是没问题的,实验时所产生的安培力也足以推动那条空心的铜棒.想到这儿笔者才意识到居然忘记了一个重要主体——参与演示实验的还有学生.刚才笔者只是引导学生在看,却忘了引导他们如何去想.我们做演示实验的目的就是为了展示物理学现象,去引导学生观察、思考、分析实验现象,重而得出结论.笔者重新调试了仪器,再次操作,铜棒还是不动.同学们想一想铜棒不能运动的原因到底会出在哪里？分组讨论一下,想想看还有什么其他原因可能引起实验失败.是不是一切可以怀疑的的原因我们都想到了呢？经过笔者一番鼓励,教室里瞬间活跃起来,学生们议论纷纷……“是否仪器上的有些环节还没有考虑到”？突然有一位学生嘀咕了一下,说:“会不会仪器出厂时一不小心把未标明磁极的磁铁装反了？”大家都笑了起来.那个学生争辩道:“假如磁极装反了,那么铜棒所处位置的磁场就不可能是N极对着S极,而应该是N极对着N极或者是S极对着S极？如果事实的确如此,那么铜棒所处的位置磁感应强度几乎不就是等于0了？那么即使铜棒里通过再大的电流,铜棒还是一动不动的怪象也不足为奇了.”课堂气氛又一次被点燃了.赶紧检验磁铁的磁极,发现果真是磁极装反了,同名磁极相对放置,实验哪能成功啊！调换磁铁磁极,重做实验,发现现象相当明显,即使把大电流换成小电流,短铜棒换成长铜棒实验现象还是非常明显的.

“铜棒始终一动不动”,反而证实了两个相对磁极之间的磁感应强度几乎为0.“铜棒为什么会朝相反的方向移动呢？”是因为两磁铁的磁性有强弱,铜棒所处位置磁感应强度不能完全相抵消.失败的实验反而证实了相对磁极中垂线处合磁感应强度为0.学生们争先恐后地解释着刚才出现的各种实验现象.他们以自己独特的方式体会了两个同名磁极之间的磁场分布,得出了与两个同种电荷分布的电场竟有如此相似的这个结论.后来的事实证明至少那堂课上学生们的好奇心和求知欲被彻底激发了.他们还提出好几种连笔者也根本没料想到的实验方案.“只留下一块磁铁,看铜棒会不会移动？向何处移动？”“当磁感应线方向与电流方向相同在同一直线上是铜棒会不会移动(图2)？”“大电流引发的过载保护有没有办法去克服？能否用超级电容器来替代学生电源……”

的确,做好一个物理演示实验有时真的并不轻松.有些实验貌似简单,但课堂上操作起来并不能保证一帆风顺,有时甚至还得仔细考虑会不会碰到一些偶发情况.当然教师对于课堂上由于操作或仪器本身的原因而引发的意外也不必过分慌乱.更不能为以后不做实验找借口.因为,有些事情我们努力了也保证不了让它绝对成功,自然也包括我们的演示实验.“失败”教学本身属于课堂教学的一部分,我们的大多数发现和发明都不也是建立在失败的基础上吗？失败从另一个方向来看或许比成功更有实际的指导意义.还有,一直以来我们始终在埋怨我们的学生,说他们在课堂上不会探究物理问题,现在看来问题还是出现在我们教师身上,作为教师我们敢不敢让学生去探究、有没有意识和能力去引导他们如何去探究.我们也不必担心课堂会不会失控,就像这堂课,由于表面上的失败反而使教师和学生收益更多.