基于物理核心素养的探究实验教学案例设计——以交变电流为例

廖永容 杨晓梅 陈琪睿

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

2017版普通高中物理课程标准提出:“物理核心素养是学生在学习物理学科知识的过程中逐渐形成的正确价值观、必备品格和关键能力,主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等4个要素构成.”[1]公民具有科学探究的能力是指他们能够根据观察到的现象提出科学问题、形成猜想和假设、设计解决方案、根据方案进行实验并搜集证据、基于证据得出结论并做出解释,科学探究是一种综合能力,也是物理学习和的获得科学知识的主要方法.而物理学是一门以实验和观察为基础的学科,任何物理定律都是科学家们经无数次实验总结出来的,物理知识的学习离不开实验.本文以交变电流的实验教学设计为案例,将科学探究的思想融入到探究交变电流的变化规律实验之中,充分考虑学生的知识水平,层层递进地设计实验环节,创设真实的情境形成物理观念,在实验探究过程中凸显科学思维,融入科学态度与责任,展现了在物理教学中展开探究实验对于培养学生物理核心素养所起到的关键作用.

1 探究流程

探究实验强调问题在探究活动中的重要性,教师根据探究目标,围绕中心主题合理地设置问题,引领学生由浅入深的进行探究.为高效完成探究目标,本文针对各探究目标巧妙地设置了相应问题,让学生在探究过程中逐步获取知识、学会运用物理观念解决实际问题,以期提升学生的综合能力.探究流程图如下.

图1 探究流程图

2 探究目标

(1) 认识交变电流,能说出交变电流的概念.

(2) 观察实验仪器,结合实验找出发电机的工作原理.

(3) 根据实验结论总结推理出交变电流的变化规律.

(4) 能结合发电机实验，运用电磁感应的知识动手制作发电机,逐渐认识科学知识的本质.

3 实验器材

实验器材： 手摇发电机、检流计、导线、微电流传感器、数据采集卡、电脑.

(注意事项:在使用实验仪器前,详细阅读说明书了解仪器的构造特征和使用方法,检查仪器是否能正常工作,检流计是否调零.)

图2 手摇发电机结构图

4 探究过程

4.1 储备知识

实验前学生已具备电磁感应、感应电动势、感应电流、右手定则、导体做切割磁感线运动、闭合电路欧姆定律等相关知识.实验仪器方面,学生已非常熟悉检流计，变阻箱的使用方法.

4.2 探究感应电动势的产生

现象观察.首先请学生重温导体棒做切割磁感线运动发电实验.交变电流是电磁感应的具体应用,用电磁感应的实验作引入帮助学生建立新旧知识的联系,为学生接下来的实验探究、科学推理奠定理论基础.

其次让学生观察手摇发电机线圈和磁极的结构、摇动发电机时线圈的运动情况和灯泡的发光情况.然后让学生对比导体棒实验和发电机实验,并根据对比提出问题.

提出问题.学生发现:手摇发电机发电时不是单根导体的运动,而是N匝线圈的转动,小灯泡闪闪发光.由此提出问题:发电机的发电原理如何?与导体棒做切割磁感线运动发电有何联系?闭合回路中电流遵循什么规律?

(a) 线圈和磁极结构图

图3

问题1.请学生小组讨论猜想,写出依据.假设线圈共N匝,分析问题时请用等效法将线圈的结构简化为便于处理的模型.

模型建构.等效法是一种常用的科学思维方法,即保证效果相同,将复杂问题简单化,从而抓住事物本质,找出规律的方法.问题1引导学生发现每匝线圈都是一个矩形,分析时可将N匝矩形线圈的形状近似看作完全相同,任意一匝线圈又可看作由4根铜导线连接而成,所以单匝线圈转动时可等效为4根铜导线[如图3(b)中ab、bc、cd、da等边]在转动.学生经历N匝线圈的理想化过程,结合导体棒切割磁感线发电实验,理清了线圈在磁场中转动相当于多根导体棒做切割磁感线运动的思路,提高了学生主动建构理想模型的科学思维能力,有助于帮助学生抓住线圈转动切割磁感线的关键要素,加深对发电机发电过程的理解,形成科学思维.

学生猜想.线圈在磁场中转动切割磁感线,所以手摇发电机发电与导体棒切割磁感线发电原理相同.电流的变化规律包括大小和方向的变化规律,根据闭合电路欧姆定律,电流大小的变化与电动势大小的变化同步,电流方向可能变化也可能不变.学生经历讨论交流互换意见的过程,培养主动与他人合作,尊重他人情感的科学态度.

材料:一般我们将N、S两极间磁场近似看作匀强磁场,矩形线圈ad、ab边长度分别为L、l．线圈逆时针旋转过程中4条边与磁感线间存在一定的夹角,线圈经过了几个特殊的位置,分别是图4中的a、b、c、d、e等位置.在a、c、e等位置时线圈平面与磁感线垂直(该平面又叫中性面);在b、d位置时线圈平面与磁感线平行.线圈转动到各个位置时感应电动势是最大还是最小?线圈经过a、b、c、d、e等位置瞬间电动势的方向如何?矩形线圈4条边都在磁场中,是否所有边都切割磁感线?是否会出现抵消现象?

图4 线圈逆时针旋转过程立体示意图

问题2.请观察线圈转动过程,基于你们的猜想推导出线圈中感应电动势的变化规律.画出平面图.

科学推理.科学思维能力也包括科学推理的能力,要求高中学生能够正确理解和应用归纳推理、类比推理、组合推理、相关推理、因果推理等推理形式,以及分析与综合、抽象与概括、比较与分类的思维方式等科学思维方法,从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论,并能解决实际问题.[3]学生观察发现线圈转动时只有ab、cd两条边做切割磁感线运动,由此推理出线圈在磁场中转动所产生的感应电动势由ab、cd两条边做切割磁感线运动决定.学生使用右手定则判断出线圈转动到各个位置时感应电动势的方向,得出线圈上的感应电动势是ab、cd边上感应电动势的代数和.线圈转动到各个位置时感应电动势的方向分别为:b位置a→b、c→d,a位置b→a、d→c,线圈经过中性面瞬间无切割运动发生,感应电动势将改变方向,线圈转动一周,两次经过中性面,感应电动势方向改变两次.导体棒垂直切割磁感线时值最大,所以线圈转动到a位置瞬间感应电动势为零,转动到b位置瞬间最大.学生经历相关推理、因果推理,应用分析、综合、概括、比较的思维方式对发电机的发电过程进行定性分析得出手摇发电机的原理是转子线圈在磁场中做切割磁感线运动,对于发电机的原理有了正确的认识.

图5 线圈逆时针旋转平面图

学生运用立体几何知识将线圈转动的立体图转化为平面图,图5是线圈转动时间为t时的平面图.

4.3 探究交变电流的变化规律

材料:闭合回路中电流的变化规律是否与感应电动势的变化规律同步?同学们细心观察会发现发电机集流环上有条凹槽,它把集流环分成了两部分,左半部分与蓝导线相连,右半部分与红导线相连如图6所示.电刷夹在集流环两端时如图7(a)所示,线圈转动过程中电刷与集流环相互接触的部位始终没有变;而电刷夹在集流环中央时如图7(b)所示,线圈转动过程中原本与集流环左半部分接触的上夹片,遇凹槽后却与右半部分接触,下夹片遇凹槽后也发生类似的转换,说明电刷遇到凹槽前后外电路中电流的方向不一致.

图6 集流环结构图

(a) 电刷夹于集流环两端

问题3.电刷夹在不同位置时流经灯泡的电流相同吗?如何表示电流的变化规律?若闭合回路中总电阻为R,请小组讨论猜想,并根据现有器材合理设计实验方案展开实验.

学生实验.学生经讨论选择检流计检测电流的方向,接入电阻以保护检流计.学生分工合作连接实物图、画出原理图[如图8(a)(b)]并进行实验.

(a) 实物图

结论:当电刷夹于集流环两端时,检流计指针在零刻线处摆动,说明电流方向一直在变化;当夹于中间时,检流计指针在零刻线的某一边摆动,说明电流方向没有变化.由此可知闭合回路中产生了两种电流,即方向不随时间变化的电流和方向随时间变化的电流.

问题4.事实上你使用的发电机具有产生两种电流的功能,而这两种电流就是直流和交变电流.在学习电路时我们已经接触过直流,如连接电池的回路中,电流方向不随时间而变,这种电流就是直流.请你写出交变电流的概念和变化规律,对比交变电流与直流并描述他们的异同.

4.4 交变电流的图像

探究到此学生对交变电流有了理性认识,思考如果给你如图9所示电流随时间变化的图像(即波形图),你能识别交变电流的波形图吗?

问题5.为了测试结论的准确性,请利用DIS数字化信息系统观察电流波形图．

实验设备:手摇发电机,DIS数字化信息系统(微电流传感器、数据采集卡和电脑)．

学生实验.按照图10的方式连接实物图展开实验．

图10 实物图

实验结论:图11(a)、(b)、(c)是电流的波形图,其中(a)、(b)是电刷夹在集流环中央时电流波的形图,回路中的电流是直流,(a)是线圈顺时针转动时的图像,(b)线圈是逆时针转动时的图像.(c)是电刷夹在集流环两端时的电流波形图,回路中的电流是交变电流.考虑实验误差的影响,交变电流波形的特点与理论推导的周期性变化特点相符.学生借助传感器实验提升了对交变电流的感性认识,从视觉的角度再一次证实了经科学推理得出的结论的正确性,培养了学生学习和研究物理的好奇心与求知欲,提升了学生实事求是的科学态度.

(a) 直流的波形图(顺时针)

(b) 直流的波形图(逆时针)

(c) 交变电流的波形图

5 实践创新

本实验使用的主要仪器是手摇发电机,发电时磁极不动而线圈转动,被称为旋转电枢式发电机.实验室还有另一种发电机,发电时线圈不动而磁极转动,叫做旋转磁极式发电机.经过本次实验相信同学们对电磁感应有了更深刻的认识,如果让你动手制作发电机,你会怎么做?

问题6.利用以下器材,你们小组能做出几款发电机?试着解释原理.

材料:风扇、强磁体、导线、螺旋桨、发电机、LED灯、线圈盒、检流计、螺丝刀．

学生经历发电机实验获得新知识后,能运用所学知识进行创造活动,能按自己的想法独创一款发电机.这不仅有利于提高学生的创造力,而且学生在创造过程中会深思发电机的工作原理和电磁感应知识之间的联系,逐步理解科学知识的本质.

图12 器材汇总图

6 结语

探究交变电流的变化规律实验以学生为主展开,过程中包含了问题、证据、 解释、交流等4大要素.实验过程环环相扣,引导学生运用已有的知识、概念和模型,建构交变电流的概念、理想线圈的模型,科学地推理得出交变电流的变化规律.学生带着疑问亲自动手实验,在实验中深入探究发电机发电的本质,最终准确得出发电机的发电原理.探究过程充分考虑了学生的学习规律和实际情况,让学生经历了科学知识形成的全过程,领悟了科学研究交变电流的方法,从而养成科学思维的习惯,提高了学生主动学习的能力,促进了学生物理核心素养的发展.