貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院(550000)

羅 哲 石 紅

《劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)》是高中物理選修中的一節(jié)內(nèi)容，以往的教學(xué)過程都是由教師講授課本中的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生觀察圖片，并講解法拉第在探索電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)曲折動(dòng)人的事跡。可是，這樣的講授過程并沒有使學(xué)生親身體會(huì)到法拉第探索電磁感應(yīng)的艱辛和困難。為了使學(xué)生自己親身體驗(yàn)到這一點(diǎn)，將以自制法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)的部分實(shí)驗(yàn)教具來再現(xiàn)法拉第當(dāng)時(shí)的研究過程。這樣不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可讓學(xué)生的動(dòng)手能力得到提升，并且讓學(xué)生從中掌握科學(xué)探究的方法，養(yǎng)成良好的科學(xué)探究精神和素養(yǎng)。現(xiàn)將自制實(shí)驗(yàn)儀器的方法介紹如下。

1 實(shí)驗(yàn)思路設(shè)計(jì)

法拉第在1822～1835年期間做了許多實(shí)驗(yàn)來研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但在實(shí)際的課堂教學(xué)中受限于時(shí)間和空間，不能將所有的實(shí)驗(yàn)都在課堂上做一遍進(jìn)行演示，讓學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。所以，筆者僅選擇了3個(gè)具有代表性的法拉第當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)時(shí)所做的實(shí)驗(yàn)。

選擇第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原因是讓學(xué)生體會(huì)到當(dāng)時(shí)法拉第最初的磁生電的猜想思路，對(duì)提高學(xué)生的思維能力大有幫助，但是該實(shí)驗(yàn)最后以失敗告終。選擇第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的原因是，相比第一個(gè)實(shí)驗(yàn)而言，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上有了一定的改進(jìn)，雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)最終還是失敗了，但這個(gè)對(duì)比能讓學(xué)生明白任何成就的取得是不斷改變、不斷努力的結(jié)果，能夠提高學(xué)生堅(jiān)持不懈進(jìn)行科學(xué)探究的信心。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是法拉第最著名的實(shí)驗(yàn)而且也是唯一成功的實(shí)驗(yàn)，并且此實(shí)驗(yàn)是在法拉第最絕望、想要放棄時(shí)所做的，它的作用不言而喻。設(shè)置這3個(gè)實(shí)驗(yàn)，不多也不少，就是要讓學(xué)生體驗(yàn)經(jīng)過接二連三的失敗，再到獲得成功的滿足。相信在經(jīng)歷這一課堂的學(xué)習(xí)后，學(xué)生能體會(huì)科學(xué)家探索科學(xué)知識(shí)的艱辛。筆者相信這樣的經(jīng)歷對(duì)于學(xué)生今后的發(fā)展是相當(dāng)有益的，并且會(huì)讓學(xué)生終生難忘。

2 實(shí)驗(yàn)制作步驟

2.1 材料的選擇

3個(gè)實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)材料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所需的材料

2.2 三個(gè)實(shí)驗(yàn)的制作過程及其使用方法

2.2.1 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(1)把2 cm厚的木工板切成80 cm×60 cm的小木板，如圖1所示。

圖1 制作木板

(2)在木板上半部分離上邊緣10 cm、左邊緣10 cm處釘上一顆線卡釘，同理在離木板右邊緣10 cm處釘上另1顆線卡釘，用來固定條形磁鐵，如圖2所示。

圖2 固定磁鐵

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖，在條形磁鐵的下方訂2個(gè)線卡釘。把漆包線拉直穿過線卡釘，然后固定好。為了可以清晰觀察整個(gè)實(shí)物圖，建議把線整理成麻花狀固定，如圖3所示。在下方的線的兩端接上靈敏電流表，這樣法拉第當(dāng)時(shí)所做的第一個(gè)磁生電的模擬實(shí)驗(yàn)裝置就完成了。

圖3 第一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2.2 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(1)把厚2 cm的木工板切成80 cm×60 cm的小木板，如圖1所示。

(2)將長10 m直徑為3 mm的銅線繞成直徑為2 cm的螺線管，將直徑為2 cm的PVC管插進(jìn)螺線管，起到固定螺線管的作用，如圖4所示。

圖4 螺線管

(3)將2個(gè)粘鉤固定到木板上，恰好能卡住螺線管使其不掉落，如圖5所示。

圖5 固定螺線管

(4)將螺線管用導(dǎo)線和學(xué)生電源相連接，用拉直的漆包線穿過螺線管，并用線卡釘固定好。為了方便整理線路，建議把漆包線交織成麻花型。然后在漆包線的兩端接上靈敏電流計(jì)，如圖6所示。這樣第二個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置制作完成。

圖6 第二個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.3 第三個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的制作

(1)把2 cm厚的木工板切成80 cm×60 cm的小木板，如圖1所示。

(2)將粗鐵絲燒制成直徑30 cm的鐵環(huán)，如圖7所示。

圖7 鐵環(huán)

(3)將紅色漆包線纏繞在鐵環(huán)的一半邊上。當(dāng)纏繞到鐵環(huán)的一半時(shí)，將漆包線重疊起來，但是注意上層漆包線纏繞的方式要和下層漆包線纏繞的方式方向相同，同為順時(shí)針方向，如圖8所示。

圖8 紅色線圈

(4)將藍(lán)色漆包線纏繞在鐵環(huán)的另一邊上，同樣的注意上層漆包線纏繞的方式要和下層漆包線纏繞的方式方向相同，同為順時(shí)針方向，如圖9所示。

圖9 藍(lán)色線圈

(5)將法拉第線圈用5 cm的長釘固定在80 cm×60 cm×2 cm的木板上。將法拉第線圈的紅色部分用導(dǎo)線和學(xué)生電源相相連接，藍(lán)色部分用導(dǎo)線和靈敏電流計(jì)相連接，如圖10所示。這樣第三個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置就制作完成了。

圖10 第三個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)演示及結(jié)果分析

當(dāng)進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)和第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以觀察到2次實(shí)驗(yàn)中的靈敏電流計(jì)的指針都沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明兩次實(shí)驗(yàn)都失敗了。符合歷史的真實(shí)性，也符合設(shè)置的前兩次實(shí)驗(yàn)失敗的教學(xué)流程。

在進(jìn)行第三次實(shí)驗(yàn)時(shí)，纏繞的線圈數(shù)不同時(shí)，所做出的實(shí)驗(yàn)果也不同。

當(dāng)學(xué)生電源穩(wěn)定在16 V時(shí)，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 線圈層數(shù)對(duì)電流大小的影響

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)線圈纏繞圈數(shù)太少時(shí)，由于可以產(chǎn)生的磁場(chǎng)太小，所以磁生電產(chǎn)生的感應(yīng)電流很小，不便于觀察；而在線圈層數(shù)增加時(shí)，雖然產(chǎn)生的磁場(chǎng)大了，但是導(dǎo)線長度也增加了，導(dǎo)致導(dǎo)線的電阻也增加，從而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也變小了，所以線圈纏繞層數(shù)在4層最合適。