巧用实验突破物理学习的思维拐点

周纪良

（宁波市鄞州区姜山中学 浙江 宁波 315191）

学习定势是指学生对学习活动的心理准备状态.学生已有的生活经验、知识结构、思维方式，以及需要、愿望、态度等都能构成其学习的心理准备状态，对学习发生定势作用，从而对学习活动产生影响.学习定势对学习有积极的作用，也有消极的作用.学生在物理学习中往往存在各种学习定势，如思维定势、视觉定势等.例如，在“互感和自感”一节学习中，学生存在以下思维定势.

（1）之前在学习直流电时，认为线圈是普通导线或电阻，在简化恒定电路的过程中又视为短路.这一定势会制约学生对自感和变压器电路的正确分析.

（2）教材中直接给出两个电路演示通电和断电时的自感现象，这种方法往往会使学生形成一个电路只出现一种自感现象的思维定势，学生也难理解这样设计两个电路的原因.

（3）演示断电自感现象时，学生只能看到灯泡突闪一下后熄灭，给学生头脑中形成断电自感电动势的作用只是使电路中电流增大一下的错误思维，而且没有显示灯泡中的电流方向的变化.

（4）学生对瞬时高压自感电动势和磁场能量的认识，可以从理论上推理，但不一定信服.

为使学生克服学习定势带来的障碍，找到思维的拐点，拨正思维的方向，我们设计了一系列传统的演示实验和数字化演示实验.

1 徒手取电实验——线圈功能的再认识

我们设计了如图1所示的“徒手取电实验”，线圈L1接220V交变电压，灯泡直接用导线连接，通过增加L2缠绕在铁芯上的匝数，最终灯泡能发光吗？在学生不断地增加线圈L2匝数的过程中，灯泡逐渐地由暗变亮，此过程说明线圈L2成了电源.因通过线圈L1的电流变化，使穿过线圈L2的磁通量发生变化，线圈L2中产生了感应电动势.

图1

2 通电自感电路的设计——显示对比实验的魅力

在如图2所示电路中，学生能根据电磁感应规律推断出，当开关S闭合时，通过线圈的电流增大，

图2

图3

在线圈中会产生感应电动势.但要学生真的相信，必须设计实验来检验.由楞次定律判断，感应电动势与电源电动势是反接的，这样必然会对回路电流产生影响，用串联灯泡的亮度变化来显示（图3）.演示后，通过小灯泡A1的发光情况，很难判断线圈中是否有感应电动势产生.到底是自感现象没有产生，还是小灯泡的发光变化不明显而观察不清楚？能不能再用一个开关合上立即就亮的灯泡作“对比”呢？学生设计了如图4所示的通电自感的演示电路.这样就突破只从线圈支路找原因的定势，另辟蹊径找到了学生的思维拐点.

3 断电自感电路的设计——视觉定势的突破

如图4所示，当开关S断开时，学生能从理论上推得线圈中会产生感应电动势.实际上，当开关S断开时，两灯A1，A2都熄灭了，看不出有延时效果，使学生形成用此电路只会发生通电自感的思维定势.灯泡的亮度并不与电流的大小成正比，因而不能正确地反映电流的大小，也不能指示电流方向.为此，我们用灵敏度高的DIS实验系统研究通电自感和断电自感现象，DIS实验系统通常由三部分构成即传感器、数据采集器、计算机.旋下两个小灯泡，将两个电流传感器串联在原来两个灯泡的位置.闭合和断开S即可通过计算机上的DIS通用软件界面观察到线圈中电流变化的图线（图5）.可以观察到：通电后，通过小灯泡A1的电流逐渐增大，推迟了电流达到稳定值的时间；断电后，灯泡A1的电流从原值逐渐减小为零，电流方向不变.通电后，通过小灯泡A2的电流迅速增大到一个峰值（图5中凸起处），然后稳定下来；断电后，灯泡A2的电流立即反向，电流的大小逐渐减小为零.经分析，断电后流过小灯泡A2的电流不是原来电流，而是线圈中的感应电流.DIS测量就解决了因灯泡在视觉上显示不出电路中电流的瞬间动态变化的视觉定势，并充分体现了DIS实验系统的优势所在——量化功能.

图4

图5

那么，我们就找到了灯泡由亮到更亮的视觉拐点显示断电时的自感电动势作用，使原电路有线圈支路的电流要大于灯泡A2支路的电流.这样当开关断开时，线圈中产生感应电动势与灯泡A2构成串联回路，造成流过灯泡A2的感应电流起先大于原来稳定时的电流，灯泡A2先闪亮一下再熄灭.为此，必须使线圈支路的直流电阻小于灯泡A2支路的电阻.学生提出要么将灯泡A1去掉，要么将灯泡A1连接到灯泡A2支路.为使电路结构简单，我们用如图6电路演示通电自感.于是，学生就明白了这个实验的设计意图.当然，为了显示断电自感的感应电流方向，提示学生可以利用发光二极管的单向导电性改进电路设计.

图6

4 点燃酒精灯实验——感受瞬时高压自感电动势

学生在学习自感现象的防止的实例——油浸开关时，当含有线圈的电路中开关断开时会产生很大的自感电动势，对此学生将信将疑，往往只是从公式理性上认识自感电动势大小，感受不深.我们模拟了用自感点燃酒精灯的小实验（图7）.用6V直流电源与自感线圈（利用身边的日光灯镇流器中的线圈）串联，其中两根导线削去绝缘，先使裸体金属导线接触并靠近酒精灯芯.接着迅速断开触点，这时酒精灯被点燃.因为线圈L中的电流急剧减少，产生很大的自感电动势，它和电源电压叠加起来产生高电压，使空气电离产生电火花点燃酒精灯.这样学生对断电时线圈中产生更大的电动势深信不疑.同时，可引导有兴趣的学生来研究汽车的点火装置原理.

图7

5 点亮节能灯管实验——相信磁场能量的存在

教材中关于磁场的能量，是通过能量的转化和守恒的思想作出的一个合理假设：线圈的磁场中储存了能量.学生只是知道有磁场的能量，很难相信线圈中真的存在磁场能量.我们做了点亮节能灯管实验（图8）.节能灯管越靠近接通电源的辉光球，亮度越高.节能灯管发光说明它接收了能量，而在辉光球附近存在的是电磁场，显然是电磁场提供了能量.

图8

综上所述，在物理教学中要注重研究学生可能存在的各种思维、视觉、前概念等定势，有针对性地、创造性地设计适合的实验，运用实验诱发思维，将新旧知识的矛盾尖锐地摆在学生面前，使他们的思维处在激烈的非平衡态中，以突破学生学习的思维定势.运用实验去点拨思维，可起到“千言万语说不清，一看实验就分明”的效果.