应用DIS进行“磁感应强度”的深入探究式教学

南京市秦淮中学   殷位海

摘  要   利用DIS系统可以进行比较精确的测量和深入的分析，对探究式课堂教学的深入开展提供了重要的实验条件和手段，尤其是对抽象物理概念和规律的探究有重要价值。课堂上师生共同进行探索活动，由表及里，层层深入，学生积极踊跃参与，学生的知识结构在原有认知基础上自然地发生与发展，可以体验到科学探索与发现的乐趣，也可以培养科学、严谨的态度和细致处理问题的良好习惯

关键词  探究式教学  磁感应强度  DIS实验  传感器  科学态度 

 

一、教学方案的设计

“磁感应强度”是高中物理电磁学的一个抽象的概念，在学生原有的认知基础上顺利构建这一概念对学生进一步理解、掌握电磁学的规律有重要意义，是教学的重点和难点。传统的教学是通过定性的实验研究与理论介绍结合的方法进行的，定量的探究受实验条件的限制有一定的困难。笔者在参加“南京市创新课堂教学设计大赛”时，对这节课进行了新的思考，运用DIS与自制传统实验相结合方法，让学生在课堂上经历了由直观形象→定性研究→定量探究→数据测量的概念发生与发展过程，学生积极参与实验探究，很好地理解了概念，同时体验到科学研究的一些方法，培养了严谨、细致的科学态度。主要的设计思路是：

1、  通过电场与磁场类比使学生从已知的电场强度的定义方法出发探讨对磁场的研究方法。

2、  利用自制的双轨道演示器定性研究与磁场力大小相关的因素。

3、  采用特制线圈利用DIS系统中的力传感器和电流传感器对上述相关因素进行定量探究，并进行自动数据采集与计算机图形拟合，寻找规律。

4、  采用DIS系统中的磁传感器实际测量被测磁场的B值并与定义法计算结果进行比对，形成对实际磁场的量化概念。

二、教学活动的展开

1、自制的双轨道演示器实验

在通过类比法讨论了磁场方向的定义方法后，讨论的焦点中到如何定义描述磁场的强弱的物理量。

问题：能否也用小磁针的N极来测量磁场力的大小？

学生讨论后认为由于磁极无法单独存在，必须寻找新的测量载体。

通过观察实验，使学生对通电导体在磁场中的受力产生一定的感性认识。

本节课实验探究的对象选择的是一组U型磁铁捆扎而成的条状U型磁铁组，研究U型磁铁组开口处的磁场强弱。实验时将条状U型磁铁组平卧在两条平行铝合金导轨的一端，细铜管横跨在两导轨间，置于磁铁开口处，在两导轨间加一定电压，通电铜管在磁场力的作用下发生滚动。实验中，采用控制变量的方法，分别改变通入电流的大小和导轨的间距（即通电导体的长度），可以明显观察到通电导体所受磁场力与电流大小和通电导体的长度都有正相关的关系。（该装置笔者曾在贵刊99年6期作过介绍）

问题：如果用一小段通电导体来测量磁场强弱，你猜想磁场力与电流大小和通电导体的长度有怎样的定量关系？

2、DIS实验－探究磁场力与电流、导体长度的定量关系

实验一：将U型磁铁组开口向上移放在支架下，支架上固定好力传感器，细铜管用绝缘细线悬挂在力传感器上；再用细导线将细铜管与电流传感器、变阻器、电源、开关串联。

在朗威DIS通用软件中，把两个传感器示数同时显示在投映屏上。在断电下，将两个传感器调零，再通电，逐渐增大电流（小于1A），观察力传感器示数变化。

    观察发现，力传感器示数几乎保持为零。

问题：为什么本实验观察不到通电导管在磁场中受力？

经过讨论，大家认为，可能是磁场力太小，力传感器测不到。

问题：你能否想个办法，让力传感器测量出磁场力？

这个问题有点难到学生，同学们议论纷纷，有学生说可以加大电流（但会超出电流传感器量程），有说增加导体长度（但会超出磁场范围），有说换个更大的磁铁……。我鼓励学生开动脑筋，但短时间还是没有想出更好的力法。

实验二：我拿出一个自制的多匝矩形线圈（88匝，长14cm,宽7cm）挂在力传感器上，经调零，通电发现力传感器有了明显的示数。学生立刻反应过来了，说这是利用了多根导体受力的结果（物理实验常用方法之一—放大法）,实验中分别让线圈的长边与短边挂在磁铁开口处进行实验，实验结果如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

可以看到，这几组数据是符合磁场力与电流、导体长度的正比关系的。

问题：仅凭这几组数据，能否确定磁场力与电流和导体长度就是正比关系？

在此引导学生认识到科学结论需要经过反复、大量的实验进行论证。

实验三：利用朗威DIS的自动数据采集功能，在导体长度一定（14cm）下，让电流连续变化，每隔一秒采集一次得到如下一组数据：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

问题：在物理学研究中，我们应该怎样处理这些数据，得出结果？

同学们纷纷议论，表示可以用作图（F-I图像）的方法进行处理，还可以减小偶然误差。

利用朗威DIS的作图与曲线拟合功能得到如下的拟合结果，基本可以确定磁场力与电流的正比关系。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（由于实验线圈受力边长度只能改变一次，因而本次实验对磁场力与导体长度的关系没有进一步探究）。

3、对磁感应强度的定义的讨论

讨论中，通过与电场强度定义的对比，利用比值定义法，很快确定了磁感应强度B的定义方法：

                          B＝F/IL   (单位T)

问题：能否根据定义式计算出U型磁铁组开口处的B值？（取测测量中的一组数据I=0.2A,F=0.05N,n=88匝，L＝14cm）

同学们很快得出了结果，B=F/88IL=0.02T  (提示：F为88根导线受到的磁场力)

4、  DIS实验—利用磁传感器直接测量U型磁铁组开口处的B值

我说，0.02T有多大，它与地磁场比强多少呢？你们想不想看一看用仪器直接测量的结果？

同学们一下子兴奋起来了，都急着想看什么仪器能直接测磁场。

我拿出磁传感器向大家作了介绍，实验时，先将朗威DIS的磁传感器沿垂直于地磁场方向进行调零，再缓缓转过90度，实验测得教室地磁场最大值为0.05mT，并对U型磁铁组开口处的沿磁场方向进行了测量，结果如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

测量结果U型磁铁组开口处B＝21.02mT＝0.02102T（大约是地磁场的400倍），与根据定义式计算结果基本一致，使学生对磁铁磁场B值的数量级有了一个亲身体验，并且与地磁场的B值有一个对比，消除了学生对磁感应强度B这一抽象概念的“陌生感”。

三、教学结果的反思

新课程的教学理念是注重体现学生主体的认知过程。对于一些抽象的物理概念，利用朗威DIS系统，可以进行比较精确的测量和深入的分析，对探究式教学的深入开展提供了重要的实验条件和手段。本节课上，师生共同进行了多项探索活动，由表及里，层层深入，学生积极踊跃参与讨论，兴趣很高，学生的知识结构在原有认知基础上自然地发生与发展，体验到了科学探索与发现的乐趣，也培养了科学、严谨的态度和细致处理问题的良好习惯。

这节课对磁场力与导体长度的关系的实验设计还不足，最好设计一个长度连续或多次变化的实验方案，使探究活动更全面一些。经过思考，我设想能否通过改变线圈匝数的方式来达到改变导体长度的效果（如本次实验中分别用88匝、87匝、86匝……）？这有待在以后的教学实践中加以完善。