利用数字化实验提升物理课堂教学质量与效率

易琼芳

【摘要】数字化实验可以将抽象的磁场可视化、及时化，将变量之间的数据关联化。利用实验室的传感器和手机自带传感器功能测量地磁场和载流导体周围的磁感应强度，测量安培力和导体电流等物理量，研究它们之间的定量关系，帮助学生客观具体地认识磁场的物质性，理解磁场的核心概念及磁感应强度，掌握磁场的特性，形成正确的“场”观念，提升课堂教学质量，培养学生的科学探究能力和科学思维品质。

【关键词】磁场；磁感应强度；数字化实验；课堂教学

磁场作为客观存在的一种较特殊的物质，存在于载流导体、永久磁体、运动电荷或时变电场等周围空间中，是以磁感应强度表征的一种特殊形式的物质。磁场的物质性也体現了磁场具有能量和动量，磁场对磁体和载流导体有力的作用，能产生电磁感应现象和霍尔效应，使磁致伸缩材料发生变形，使载流导体或半导体的电阻发生变化。在电磁学的建立与发展过程中，法拉第最先提出“场”及“磁场线”的概念。但如今“场”的概念已远远超出了原有的范畴。“场”已经是物质的一种基本、普遍的存在形式，只有正确认识、理解“场”的概念，才能完整地建立物理学知识结构体系，形成正确的物理观念。由于磁场难以直接观察与理解，学生不易正确认识，提升学生对场的认知需要有力的实验验证与实验探究。利用数字化实验，譬如实验室传感器、智能手机自带传感器，可以将人眼不可见的磁场用数据测量出来、用图像表达出来。利用数字化实验的可视性、即时性及高效的数据处理特性可以让学生更深层次地认识、理解磁感应强度概念和掌握磁场的物质性，提升课堂教学质量与效率。

一、利用智能手机内置传感器与phyphox软件研究地磁场强弱和方向

初中物理已经讲过了磁现象，磁体、磁极、磁极间的相互作用，通常都是通过定性的传统实验了解初步的磁现象。高中物理课程是先学习电场和电路，从电与磁的联系入手，通过对比电与磁的相似性，让学生把电和磁联系起来，进行类比性知识延展。新教材的编排设计在展现科学家对电磁学方面的探索过程时，虽有物理思想的引导，但省去了过程的曲折，看似教学内容简单了，却对学生的理解能力提高了要求。新教材的编排设计对接受理解能力强的学生比较合理，但是课堂教学也要关注到部分理解能力较弱的学生，他们在学习理论知识时，往往对新知识认知模糊且片面。

根据新课程特点与学生的实际情况，可以利用数字化实验室的磁敏传感器把磁感应强度变成电流信号，通过数据采集器和计算机读出磁感应强度的大小和方向，将磁场的强弱量化、可视化，让抽象的物理量变得具象化、物质化，便于学生由形象思维向抽象思维发展。磁传感器最关键的部分在探头，制作探头的元件对磁场很敏感。我校数字化实验室为江苏正方体科教LAB，磁传感器的单位是毫特斯拉。利用学校的磁传感器测量永磁体磁极的磁场大小和方向、通电螺线管附近的磁场等强磁场时，测量效果比较好，但测量地磁场等弱磁场时，测量效果很不理想。

地磁场属于强度比较弱的磁场。由于学校磁传感器灵敏度不够，利用学校的磁传感器探究地磁场时实验效果很不理想，但可以利用智能手机自带传感器与phyphox软件来共同完成，现在的智能手机是一个综合功能强大的便携式电子设备，智能手机内置力、声、运动、计时器等多种传感器，其处理器也有强大的计算能力，能结合现实及时处理数据的功能，可及时测量大量物理量。phyphox软件利用手机传感器，能即时显示有关物理数据，同时建立坐标系，直观展示、对比实验数据，配合投屏软件，可以实时将手机屏幕显示在多媒体电脑及屏幕上，实时展示实验过程与数据。其实，智能手机与phyphox软件就是一个小型且操作简单的数字化实验室。智能手机内置磁传感器的单位是微特斯拉，比学校传统磁传感器的灵敏度高1000倍。使用phyphox软件利用手机内置磁传感器探究地磁场的大小和方向，方法如下：

实验1：将手机放在水平桌面上，对应不同的方位。测量结果：不同方位的磁感应强度不同，手机南北放置时磁感应强度比东西方向放置时强度大。

实验2：把手机竖直固定在手机架上，在竖直方向上旋转2周。实验结果：磁感应强度呈周期性变化；地磁场在某一特定的方向上具有最大值。改变手机的竖直平面再转动，可以测量各个方向的地磁场。利用手机内置传感器与phyphox软件测量微弱磁场的强度，测量各个方向上的地磁场的强弱及存在极值的地磁场方位，让无法肉眼看见的物理量具体化、直观化。它的优势和特点在于操作简易，占用时间少，可视化效果好，数据即时性强，能随物体运动变化即时展现。

二、利用数字化实验室探究“通电直导线”的磁场分布特征

奥斯特实验是一个划时代的发现，这是电流产生磁场的一个重要验证实验。在传统实验中，由于实验室里电源提供的电流不大于2A，通电直导线产生的磁场较小，小磁针的偏转角度非常小，实验效果不明显，并且外界微小的扰动都能影响到实验结果。利用传统实验器材在教室里做此实验，实验干扰因素多，成功率不高，且不方便教室后排和侧边的同学观察实验现象，课堂实验效果不够理想。

为了提高实验效果，可以利用数字化实验室进行实验3。装置：先将磁传感器、数据采集器、电脑连接成一个电路，再将一根粗铜丝、滑线变阻器、电流传感器、学生电源（额定电流2安培）串联起来构成另一个闭合回路。磁传感器放在水平的架子上，磁传感器探头与粗铜丝垂直，调零消除地磁场的影响。实验过程：接通学生电源，在电脑里就显示出粗铜丝周围的磁感应强度。保持粗铜丝电流强度不变，改变磁传感器与粗铜丝之间的距离，观察电脑屏幕的磁感应强度值的变化；保持粗铜丝与磁传感器之间的距离不变，调节滑线变阻器，观察电流和磁感应强度变化关系。这个实验也可以利用phyphox软件来做，同样有很好的效果。因数字化实验的应用，“探究通电直导线周围的磁场”实验变得简单易行，直观可视，并且从定性观察层面上升到定量分析层面。概念是抽象的，数据是具象的，从具象到抽象，再由抽象到形象，有效训练学生想象力和思维力，提高实验质量，提升教学效果。

三、利用数字化磁传感器探究“通电螺线管”内部的磁场分布特征

探究“通电螺线管”内部的磁场是验证电流产生磁场的另一个重要实验。通电螺旋管内部的磁场大小和方向也是学生认知的一个难点，以前无法用实验证明内部磁场，只是通过画磁感线让学生明白通电螺线管内部的磁场的大小和方向，纯理论又抽象的知识导致学生难以理解和接受，更难以记忆，利用该知识解决实际问题时更是错误百出。现利用磁传感器进行实验，可以捕捉通电螺线管内部磁场分布，并且装置、器材的准备都较为简单方便，如实验4：先将学生电源、电流传感器、螺旋管、滑动变阻器串联起来构成闭合电路。磁传感器探头放在螺旋管的一端，探头逐渐深入，同时记录在螺旋管内部不同位置的磁感应强度。

图1 正向螺线管内部的磁场分布图

图2 反向螺线管内部的磁场分布图

该实验可以清楚明了地观察到螺旋管内部磁场的分布，图1、图2均是螺线管内部的磁场分布图。图1从螺线管一端的管口开始测量，将刻度尺和磁传感器固定，让螺旋管朝磁传感器移动，每前进一厘米记录该位置的磁感应强度大小，得到“位移－磁感强度”图像，图2是从螺旋管另一端开始测量，所以都是负值。图像清晰地展示了螺旋管内部磁场大小的分布，通电螺线管中间区域磁场最强，向两端逐渐减弱，具有对称性。实验过程中还可以改变电流的大小观察螺旋管同一位置的磁场大小，得出电流越大，螺旋管内的磁感应强度越大。这个实验操作简单，既可以做演示实验，也可以作为学生实验，以此锻炼学生的实验操作能力和实验探究能力，提升其形象与抽象思维能力。

四、利用数字化实验测量安培力的大小及磁感应强度的定义研究

在数字化实验室建立起来之前，多数实验只是验证安培力的存在，或者是验证电流越大安培力越大，以及安培力的大小跟电流成正比函数关系。虽然可以利用电流天平间接测量安培力的大小，但是该实验过程繁琐，还受到电流天平的可靠性的限制，所以在课堂教学中很少使用电流天平完成该实验。

为了能够验证安培力的存在，并測量出安培力的大小，设计了实验5：实验装置将学生电源、电流传感器、线圈、滑动变阻器串联起来构成一个闭合回路，线圈挂在微力传感器下面，线圈底边水平，放入U形磁铁中间，并与U形磁铁上边平行。再在电脑上把电流值和力值归零，消除线圈重力对数据的影响。实验过程中采集微力传感器和电流传感器数据。实验时接通学生电源，观察电流和力的数值并记录数据，实验设置采用“记点”方式记录数据，改变滑动变阻器阻值，记录对应的电流和力的数据。以“电流强度”为横轴，“力”为纵轴，观察得出所记录点的发展趋势为一条过原点的直线。以正比函数拟合（如图3）。

通过力传感器和电流传感器组合使用，可以很方便地测量安培力的大小和方向，可即时读出不同电流强度所对应的安培力大小。该实验可以得出在磁场不变，导线不变的条件下安培力与电流强度成正比。该实验还可以在同一磁场中放置不同的线圈，验证F与IL的关系，由此理解比值定义法，理解磁感应强度的含义是描述磁场对外界作用力的性质，阐述了磁场的物质性。此实验也证实了比值定义法的科学性。进行该实验时要关闭电风扇或避免其他微小扰动，确保该实验的精确度。

本实验通过探究安培力的大小与电流大小、导线长度、磁场强弱的函数关系，对定义磁感应强度教学起到了可视化、数据化作用。通过探究物理量之间的关系培养学生逻辑思维能力，让课堂教学具有直观性和高效性。

磁感应强度是研究磁场的第一个核心概念，以上几个数字化实验能够提供大量实验数据验证磁场的物质性，让学生深入认识和理解磁感应强度表达的物理含义。基于数字化实验探究物理基本概念、基本规律以及知识间的相互联系，这对于学生将来更深入系统地学习电磁学是一种认知与思维能力上的准备，为学生提供了研究问题的方法和手段。新的技术和平台、新的研究方法和手段提高了物理课堂教学科学性和高效性，也有利于培养学生的科学探究能力和科学思维品质。

【参考文献】

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修正）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]惠润.利用DISLab完善高中电磁学实验体系的应用研究[D].苏州：苏州大学，2009.