课事 | 在物理实验中实现思维跃迁
中国教师报 2023-12-09 08:35

物理实验是物理知识的重要来源,也是形成物理规律、凝练物理思想的重要场所,以适当的方式挖掘物理实验背后的价值,可以为我们带来意想不到的惊喜。

一次执教人教版高中物理《楞次定律》,在讲完新课部分后,我布置了这样一道当堂训练题:A、B都是轻质铝环,分别吊在绝缘细杆的两端,杆可绕竖直轴在水平面内转动,A环是闭合的,B环是断开的。请大家猜想,若用磁铁的N极靠近这两个圆环,会发生什么现象?

结合新课学习内容,学生很快给出答案,通过A环和B环的磁通量都有变化,不同的是A中可以形成环形电流,B中不能。所以,A环会被推开,B环不会。接下来,到了验证学生猜想的时候,我拿出实验仪器,很快他们的猜想得到验证。然后我又问学生,如果是S极靠近呢?大家异口同声地回答:“还是A环会被推开,B环不会。”当大家的想法再次得到验证的时候,学生脸上露出收获后的喜悦。

“那么,为什么会是这样的结果呢?”我顺势提出了这个问题,学生思考后回答,“不管是哪个极靠近,磁通量改变都是一样的。根据楞次定律,A环中会形成感应电流,这个感应电流在外界磁场的作用下,产生安培力阻碍A环磁通量的增加”。我高兴地为大家点赞。

不一会儿下课铃声响了,有个学生兴奋地跑到讲台上,想和往常一样重复我刚才的实验。不同的是,这次他拿了一块像金属一样的东西。“老师,我这里有块强磁铁,没有标明N、S极,我想试一下!”突然他疑惑地对我说:“老师,我发现当磁铁插入B环的时候,B环也在动。”旁边的同学笑着说,“这只是一个意外,是手带动的风造成的。”对啊,实验规律肯定没有错。“如果是风的问题的话,原来用普通磁铁的时候,风是一样的,B环的运动情况为什么不一样呢?”我问道,“难道我们学的物理规律错了吗?”

B环的电流来自哪里?我把课本拿出来往后翻了翻,指给学生看,其实感应电流还有一种形式是涡流,这是一种新的电流形式,既然有电流产生,就会产生安培力,所以在有缺口的B环那里也产生了阻碍运动的安培力。学生恍然大悟,思维在扰动中延伸。

“同学们,这是一个经典的实验,器材也很简单,揭示的物理规律也十分清楚,完整的A环和缺口的B环都有感应电流产生,都会有安培力产生,那为什么我们用普通磁铁的时候,B环看起来没有运动呢?”

“用普通磁铁的时候,B环中产生的电流比较小。”

在一问一答中,学生的思维开始进阶。

“在这个实验中,还有什么力在起作用?”

“除了安培力,还有阻力的作用。”

“两种情况下我们认为阻力是不变的,但是现象不同,大家有什么新的发现?”

“老师,第一个实验,B环中产生的安培力比较小,受到的阻力比较大,这时对B环运动起主要作用的是阻力。第二个实验,B环中产生的安培力比较大,受到的阻力相对来说比较小,起主要作用的是安培力。”

“很好,大家的思考是正确的。这个实验的背后隐藏着什么物理思想呢?”

面对两种大小不同的力的区分,学生努力寻找背后统一的规律。我们不约而同地说,“研究问题要抓住主要矛盾,忽略次要因素”。平常上课我们学到很多小球、滑块等都是来源于实际现象,是为了研究新的现象,掌握新的规律而建立的模型,这些模型都突出了问题的主要因素。原来看似矛盾的现象,其背后隐含的思想并不矛盾,思维在延伸中归一。

在这个看似简单的物理实验中,学生经历了知识的整合、能力的提升和思维的跃迁。

在我们共同经历的一波三折中,孩子如游戏闯关一样,置身传统经典实验为我们提供的原始物理图景中,积极回应,主动参悟掩映在物理实验中朴素的物理规律和物理思想。

我和孩子走出教室时,仰望天空,已见夜色,但此时霞光正好……

作者/王兵兵,单位系广东省清远市第二中学

编辑/崔毅飞

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