“用DIS傳感器探究法拉第電磁感應(yīng)定律”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計

　　摘 要：利用DIS微電壓傳感器來探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計，在教學(xué)過程中，對第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，讓學(xué)生不僅能夠定性地探究感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生條件，而且能夠?qū)Ψɡ�第電磁感�?yīng)定律進(jìn)行探究或驗(yàn)證。
　　關(guān)鍵詞：DIS傳感器；法拉第電磁感應(yīng)；DIS探究實(shí)驗(yàn)
　　一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計背景分析
　�。ㄒ唬┙滩呐c學(xué)情分析
　　本節(jié)內(nèi)容是針對人教版教材選修3-2第4章的第4節(jié)“法拉第電磁感應(yīng)定律”的教學(xué)設(shè)計。法拉第電磁感應(yīng)定律是高中物理電磁學(xué)部分的重要內(nèi)容。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對這一部分的要求是Ⅱ級，要求掌握法拉第電磁感應(yīng)定律，能計算感應(yīng)電動勢的大小。教材上這部分只有定性的實(shí)驗(yàn)介紹，沒有定量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，教材這部分的引入，主要是基于第2節(jié)的兩個定性實(shí)驗(yàn)，然后，教材直接介紹公式和推導(dǎo)，這讓學(xué)生在理解這部分內(nèi)容的時候，特別是對公式E=nΔΦ/Δt中磁通量變化率以及與線圈匝數(shù)n的定量關(guān)系理解困難。因此，筆者希望通過利用DIS微電壓傳感器對第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，讓學(xué)生不僅能夠定性地探究感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生條件，而且能夠?qū)Ψɡ�第電磁感�?yīng)定律進(jìn)行探究或驗(yàn)證，幫助學(xué)生理解公式。
　　（二）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與改進(jìn)
　　本實(shí)驗(yàn)對教材第2節(jié)模仿法拉第的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，在感應(yīng)電路中用DIS微電壓傳感器代替電流計，用條形磁鐵直接代替通電螺線管，并且增加了用單根和兩根條形磁鐵同時插入、抽出相同螺線圈，用一根條形磁鐵以相同速度插入、抽出可調(diào)多匝線圈進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。
　�。ㄈ�）實(shí)驗(yàn)原理
　　當(dāng)通過閉合電路的磁通量改變時，閉合電路內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與閉合電路的線圈、磁通量的變化率成正比，即E=nΔΦ/Δt。若保持變化的時間一樣，就要改變磁通量的變化量，來研究磁通量的變化量對感應(yīng)電動勢的影響。若保持磁通量的變化率一樣，就要改變線圈的匝數(shù)，來研究線圈匝數(shù)對感應(yīng)電動勢的影響。
　　二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計
　�。ㄒ唬�實(shí)驗(yàn)教學(xué)重、難點(diǎn)
　　重點(diǎn)：通過實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)驗(yàn)探究，理解感應(yīng)電動勢的大小與閉合電路的線圈匝數(shù)、磁通量變化率的關(guān)系。
　　難點(diǎn)：感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率的關(guān)系。
　�。ǘ�）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
　　本次實(shí)驗(yàn)包括兩個探究實(shí)驗(yàn)。探究實(shí)驗(yàn)一：用兩個完全相同的原線圈，一個內(nèi)部放一根條形磁鐵，另一個內(nèi)部放兩根條形磁鐵，同時采集磁鐵以相同的速度從兩個線圈中拔出的感應(yīng)電動勢。改變磁鐵拔出的速度，采集多組數(shù)據(jù)，比較兩個感應(yīng)電動勢。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為感應(yīng)電動勢E∝ΔΦ。
　　探究實(shí)驗(yàn)二：用一根條形磁鐵穿過可調(diào)線圈，開始時選擇2000匝，第二次選擇4000匝。分別采集磁鐵以相同的速度從兩個線圈中拔出的感應(yīng)電動勢，采集多組數(shù)據(jù)，比較兩個感應(yīng)電動勢。如果有E1/E2≈E1′/E2′≈ΔΦ1/ΔΦ2≈1∶2。在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為感應(yīng)電動勢E∝n。
　　三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法
　　本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要用到實(shí)驗(yàn)觀察法、分析法、實(shí)驗(yàn)歸納法、講授法。
　　四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程
　　【引入課題】 師：（多媒體展示）近年來，無線充電手機(jī)、無線充電汽車逐漸進(jìn)入人們的視野，引起了大家的關(guān)注。那么無限充電的原理是什么呢？
　　【復(fù)習(xí)導(dǎo)入】 師：（多媒體展示）第2節(jié)的模擬法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)。
　　【提出問題】 師：（多媒體展示）感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生條件是否和感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件一樣呢？
　　【猜想假設(shè)】 （引導(dǎo)學(xué)生）猜想：閉合回路感應(yīng)電動勢大小可能與磁通量的變化、線圈的匝數(shù)有關(guān)。
　　【設(shè)計實(shí)驗(yàn)】 （引導(dǎo)）生：在螺旋線的兩端直接接電壓表來測量感應(yīng)電動勢。（教師解釋由于感應(yīng)電動勢較小，實(shí)驗(yàn)室的電壓表不能直接測量出來，因此這里我們采用DIS微電壓傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電壓表進(jìn)行測量。）
　　【實(shí)驗(yàn)探究】 教師先進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，可以邊實(shí)驗(yàn)邊給學(xué)生講解一下DIS微電壓傳感器的原理和使用注意事項，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)探究，做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與記錄。下列是兩次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)圖表。
　　【分析討論】 教師引導(dǎo)學(xué)生對得出的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分析，不同顏色代表不同的傳感器測得的電壓值。
　　從圖1、圖2中可以看出，二者的電壓值近似為2倍。
　　【得出結(jié)論】 閉合電路中感應(yīng)電動勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比，跟閉合電路的匝數(shù)成正比。
　　五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果與評價
　　本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作簡便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理也較為簡便，能夠較好地幫助學(xué)生理解閉合電路中感應(yīng)電動勢與磁通量的變化率、閉合電路的線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，希望這個實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫酵茝V應(yīng)用。
　　基金項目：本文系重慶市教育學(xué)會第八屆（2015—2017）基礎(chǔ)教育科研重點(diǎn)課題（課題批號：XH2015A16）“DIS實(shí)驗(yàn)與3D技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用研究”成果。
　�。空S編輯 趙飛飛

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