研究物理实验 培养科学思维*——以“电磁阻尼 电磁驱动”为例

杨正宇

(成都市石室中学 四川 成都 610052)

王良翼

(成都市树德中学 四川 成都 610031)

佐 睿

(成都市锦江区嘉祥外国语高级中学 四川 成都 610011)

张 燕 陈泽勇

(成都市石室中学 四川 成都 610052)

根据教育部2020年颁布的《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》,物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”4个方面.其中,“科学思维”是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判,进行检验和修正,进而提出创造性见解的能力与品格[1].高中物理课程目标是培养学生核心素养,而科学思维是培养核心素养当中重要的、本质的方面.培根曾言“知识就是力量”,笔者认为应该修改为“思维就是力量”.学生是以对知识的学习为载体,最终是为了达到培养和提升科学思维的目的.学生只有具备了良好的科学思维,才能解决遇到的各种问题,才能创造新的理论,推动人类的进步和发展.

物理学是研究物质运动普遍规律和物质结构的科学.物理学的发展以及物理学自身的研究特点决定了它是一门以实验科学为基础的学科,即强调观察,强调研究事物本质和规律的实践活动[2].物理实验可以纯化、简化或强化和再现物理学研究对象,延缓和加速自然过程,为理论的概括准备充分、可靠的客观依据[2].中学物理实验是物理教学中极为重要的一部分,只有利用科学思维方法充分研究物理实验,才有利于中学生深入理解物理概念和规律,才有利于培养学生良好的科学思维.

本文以笔者一节公开课“电磁阻尼 电磁驱动”为例,通过研究两个演示实验和磁悬浮列车启动和刹车的实际问题,引导学生用所学知识研究实验现象和解决实际问题,从模型建构、分析综合两方面谈谈如何培养学生科学思维.

1 学情分析

在学习电磁阻尼和电磁驱动内容之前,学生已经学习了电磁感应现象、法拉第电磁感应定律和楞次定律,能从力学角度和能量角度分析电磁感应问题.电磁阻尼和电磁驱动是电磁感应知识应用于生活生产实际的体现,需要学生利用学过的知识研究实验现象和解决实际问题.学生第一个难点在于如何将实际问题抽象成熟悉的理想模型,如何抓住主要因素,忽略次要因素;第二个难点在于模型建立后学生能否自觉地从多角度深入研究实验现象,强化对物理概念和规律的理解,综合建立知识之间的联系,形成方法的框架,从而达到真正训练科学思维的目的.

2 课例环节介绍

2.1 环节一——观察演示实验并解释实验现象

演示实验一：如图1所示,将同一小磁铁先后从高度相同的开缝铝管和无缝铝管上端静止释放.实验现象是小磁铁在无缝铝管里下落时间明显长于在开缝铝管里的下落时间.请利用所学过的知识解释实验现象.

图1 无缝铝管和开缝铝管

演示实验二：如图2所示,磁铁驱动细线悬挂的可口可乐铝制易拉罐,使其旋转.将磁铁正对静止悬挂的易拉罐,让磁铁向右边不停地快速移动,会发现易拉罐逆时针(俯视)旋转起来;再向左边不停地快速移动磁铁,会发现原来逆时针旋转的易拉罐先减速转动,然后再反向加速转动.请利用所学过的知识解释实验现象.

2.2 环节二——学以致用 尝试解决磁悬浮列车运行的实际问题

播放磁悬浮列车运行视频,思考和讨论如何使列车加速和减速,并以磁悬浮列车运行为背景,编制一道习题如下,定性和定量分析列车启动和刹车过程.

【例题】磁悬浮列车是利用磁体间的抗磁作用使列车车体向上浮起,同时通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力的新型交通工具.其推进原理可以简化为如图3所示的模型:在水平面上相距l的两根平行直导轨间,有竖直方向等距离分布的匀强磁场B1和B2,且B1=B2=B,每个磁场的宽都是l,相间排列,所有这些磁场都以速度v向右匀速运动.这时跨在两导轨间的长为l、宽也为l的金属框abcd(悬浮在导轨上方)在磁场力作用下向右运动.已知金属框质量为m,总电阻为R.

图3 磁悬浮模型

(1)设金属框在运动过程中受到方向向左,大小恒为f的阻力,求金属框从图3所示位置由静止开始启动瞬间的电流方向、加速度以及后续过程中能达到的最大速度;

(2)若某时刻金属框处在如图4所示的无磁场区域以速度v0向右匀速运动,在金属框前方有两个宽度都为l但间距大于l的固定正方形磁场区域,磁感应强度都为B,求要让金属框停下来需要多少个这样的磁场(不计阻力f).

图4 磁悬浮制动模型

3 研究物理实验 培养科学思维

科学思维方法包括比较、分类、抽象(理想化模型)、概括、分析、综合、归纳、演绎等[3].本课例通过引导学生研究物理实验,从抽象(建构理想化物理模型)、分析与综合两方面谈谈如何培养学生科学思维.

3.1 培养学生建构物理模型的科学思维

在物理学中,典型的科学抽象方法就是理想化模型法.模型可以分为实体模型、条件模型和过程模型[3].实体模型是物体本身经过科学抽象成为理想研究对象,如力学中的质点,电磁学中的点电荷等;条件模型就是把物理条件理想化,忽略次要因素,抓主要因素,如光滑、轻质等;过程模型就是理想过程,将物体运动过程理想化,如匀速直线运动、简谐运动等[3].

在本课例环节一中,对于演示实验一的解释,可以先让学生独立思考,再小组讨论,生生交流.学生根据磁铁在无缝铝管里下落时间明显长于开缝铝管里下落时间的现象,可以得出这是由于磁铁受到向上安培力的原因,说明无缝铝管内部产生了感应电流,为什么会产生感应电流呢?此时引导学生将铝管微元分割成一圈圈的铝环,当磁铁穿过铝管时引起铝环磁通量变化,根据楞次定律,所以铝环产生了感应电流,感应电流对磁铁施加了阻碍其下落的安培力,所以下落时间明显变长,即电磁阻尼.对此演示实验现象成功解释的关键在于将长直铝管微元成学生熟悉的圆环模型,在此过程中,教师引导学生体会将实际物体通过模型建构,转化成理想化模型的方法.

对于演示实验二,用磁铁驱动细线悬挂的可口可乐铝制易拉罐旋转,在成功解释演示实验一的基础上,教师引导学生大胆构建自己熟悉的理想化模型来解释实验现象.学生经过相互讨论,相互启发后,总结出有两种模型建构方式.

第一种,根据演示实验一将铝管构建成铝环的经验,学生将易拉罐正对磁铁的一面看成一闭合回路abcd,如图5所示.由于磁铁向右移动导致该回路磁通量减小,从而在易拉罐里形成顺时针的感应电流(涡流),再根据左手定则分别对4条边受力分析,由于对称性ab边和cd边受到安培力等大反向,而bc边和ad边所受安培力方向相反但大小不等,由于bc边磁场更强,所以Fbc>Fad,从而让易拉罐逆时针转动起来.

图5 铝环模型

第二种,将易拉罐正对磁铁一面微元成很多条形金属条,选其中一条ab作为研究对象,由于磁铁向右移动,等价为磁场不动,ab金属条向左切割,根据右手定则,将形成由a到b的感应电流,再根据左手定则,金属条ab将受到向右的安培力,在此安培力驱动下,原来静止的易拉罐将逆时针(俯视)转动起来,即电磁驱动现象,如图6所示.

图6 铝条模型

有了环节一中建构模型的经验,环节二中,在讨论如何让磁悬浮列车启动和刹车的实际问题时,绝大部分学生能将列车理想建构成悬浮在导轨上的金属框模型.

对于两个演示实验和磁悬浮列车的实际问题,构建的理想化模型都属于实体模型.教师引导学生忽略长直铝管、易拉罐和磁悬浮列车具体形状、大小等次要因素,抽象出其主要因素,建构出熟悉的模型,从而成功地解释了实验现象和解决了实际问题.学生经历这样一个忽略次要矛盾,抓主要矛盾的理想模型建构过程,无疑对其科学思维的培养是大有裨益的.

3.2 培养学生分析与综合的科学思维

3.2.1 分析

分析就是科学思维过程把对象的整体分解为各个部分、要素、环节、阶段并加以考查的方法[3].物理学中的分析主要有以下情形.

情形一：分析物理研究对象在空间分布中的各个组成部分[3].如力学中受力分析的隔离法,就是将研究对象在空间上进行分割,然后把分割好的各个部分从整体中隔离出来分析.比如演示实验一和二,均用到了微元分割法,将长直铝管分割成一圈圈的圆环和将易拉罐面对磁铁的一面分割成金属条或看成一闭合线框.

情形二：分析物理研究对象在时间发展中的各个组成阶段[3].比如对于多过程问题,我们将研究对象所处的各个过程分开研究.

情形三：分析研究对象的各种因素、方面和属性[3].比如,我们可以对同一个研究对象从牛顿运动定律、做功与能量转化和冲量与动量变化3个方面分析.

对于演示实验一和二,当学生从力学角度分析了实验现象后,也可以引导学生从做功和能量转化与守恒角度分析.磁铁在铝管下落过程中减小的机械能转化成磁铁本身的动能和铝管内部涡流产生的焦耳热,这部分焦耳热的大小等于磁铁下落过程中克服安培力做的功;对于磁铁驱动易拉罐转动的实验中,易拉罐增加的动能来源于磁铁减少的机械能,但易拉罐增加的动能是否等于磁铁减少的机械能呢?显然不是,易拉罐在转动过程中罐体还有感应电流,还会产生焦耳热,根据能量守恒定律,磁铁减少的机械能转化成易拉罐的动能和焦耳热.

又比如环节二中以磁悬浮列车为背景的例题,第一问是从牛顿运动定律角度分析列车受力情况,产生的加速度以及能获得的最大速度,着重从力学角度分析列车的启动过程;第二问,我们可以从动量定理角度分析,要求需要多少块这样的磁场区域,列车才能停下来.由于列车每经过一个磁场区域,动量的减少量都相同,所以用初始动量除以穿过每一区域减少的动量,就可以算出需要多少块磁场区域.

整个课例,既需要学生从研究对象的整体隔离角度分析,又要求从规律的3个方面(力学、能量与动量)进行分析,可以促进学生形成从多个角度看待问题的物理观念,同时也可以促进学生分析的科学思维能力的提高.

3.2.2 综合

所谓综合,就是把研究对象的各个部分、方面和因素联合起来研究,从而在整体上把握事物的本质和规律的科学思维方法[3].比如受力分析中对研究对象使用的整体法,多过程问题我们研究全过程等.综合方法在物理中有重要作用,当分析成果积累到一定程度后,用统一的思想把分散的事实、理论联系综合起来,就会发现新的规律,形成新的理论,使认识上升到更高层面[3].牛顿曾说:“我之所以看的远,那是因为我站在巨人肩膀上”,牛顿综合伽利略、开普勒、胡克等人的观点,把当时认为毫无联系的天体运动和地面运动联系在一起,得出了牛顿三大定律和万有引力定律,完成了物理学史上第一次大综合.

在本课例中,演示实验一中电磁阻尼是通过安培力来实现的,而在演示实验二中电磁驱动也是通过安培力来实现的,此时,可以让学生思考:安培力时而充当动力时而充当阻力,怎么样统一安培力的作用?让学生充分思考后再生生交流,引导学生对比联系“摩擦力既可以充当动力也可以充当阻力,而摩擦力一定阻碍相对运动”的事实综合分析两个演示实验,得出安培力也是在阻碍磁铁和铝管以及磁铁和易拉罐之间的相对运动的结论.

综合分析到这里,出现了“阻碍”这一关键词,再次引导学生综合对比这里的“阻碍”和楞次定律“感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流磁通量的变化”里面的“阻碍”,这两个“阻碍”有什么联系?学生经过综合分析后得出:感应电流阻碍磁通量的变化实际上就是通过安培力阻碍两物体的相对运动来实现的;从能量角度讲,两个“阻碍”都可以统一为能量转化与守恒定律在电磁感应现象当中的体现.

在环节二中,以磁悬浮列车为背景的例题的第二问,如何才能得到金属框进入或者穿出每一个磁场区域时,其速度变化量相同的结论,也是需要综合分析的.首先,学生知道金属框进入或者穿出每一个磁场区域其磁通变化量都相同,引导学生将磁通变化量ΔΦ和电荷量q联系在一起,根据电荷量公式

(1)

所以金属框每经过一个磁场区域,流经它的电荷量q相同.对于金属框仅在安培力作用下减速运动过程,再引导学生联系动量定理,安培力的冲量等于金属框动量的变化量,即

-BILt=-BqL=mΔv

(2)

引导学生综合对比这(1)、(2)两个式子,可以发现:金属框经过磁场区域的磁通变化量ΔΦ与速度变化量Δv通过电荷量q联系在一起,即

(3)

在磁通变化量ΔΦ相同的情况下,金属框速度变化量Δv也是相同的.所以我们可以用金属框初始动量除以穿过每一区域减少的动量,就可以算出需要多少块磁场区域才可以让金属框停下来.

进一步引导学生变形式(3),可以得到

(4)

其中,x代表列车进入或穿出磁场的位移.根据式(4),金属框仅在安培力作用下的减速过程,速度关于位移是线性关系,可以作出v-x图像如图7所示.

图7 v-x图

在演示实验一和二中,学生经过综合分析,得出了一对相互作用的安培力阻碍相对运动的结论,并和楞次定律一起统一为能量转化与守恒定律的体现;在磁悬浮列车的实际问题中,学生经过综合分析,发现了以电荷量q为桥梁,可以将金属框通过磁场区域的位移x和速度变化量Δv联系在一起,即金属框仅在安培力作用下的减速过程,其速度v对于位移x是均匀变化的的结论.

综上所述,只要引导学生把影响研究对象的各因素和各个方面联系起来,进行对比和综合,学生就会有新的发现,新的认知.分析与综合两种科学思维方法在应用中是一个整体,不能把两者割裂开来,分析是综合的基础,没有分析,谈何综合.综合是分析的后续,同时也是分析的前提,综合是为了更好的分析,对分析有指导和促进作用.教师在实际教学过程中,只要不断地引导学生分析—综合—再分析—再综合,就能有效地训练和培养学生的科学思维能力.

4 结束语

“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”是著名物理教育家朱正元教授所提倡的,他从20世纪四五十年代开始,从事大学基础物理、物理实验和中学物理教学,为祖国培养大批物理人才.这种精神今天依然应该发扬光大.

物理是一门实验学科,所以在物理教学过程中,应该高度重视实验教学,不仅要求教师做演示实验,还要求学生亲自参与到实验中来,利用身边的物品,制作一些简易的实验器材,亲自做实验,利用科学思维方法研究实验,让科学思维的培养贯穿于实验的全过程,从而让学生逐步形成真正的科学思维.