“双减”背景下高中物理实验教学的实践与思考

【摘要】高中物理实验教学是物理教学的重要手段，本文从“双减”背景下高中物理实验教学的现状出发，以摇绳发电测量重庆地区地磁场的实验教学实践为例，总结实验教学的五环节，对实验教学提出一些建议.

【关键词】“双减”；高中物理；实验教学

“双减”并不是缩减教学的过程，特别是在培养学生科学探究素养的实验教学时更应注重过程教学.本文以摇绳发电测量重庆地区的地磁场为例，浅谈“双减”背景下如何进行高中物理实验教学.

1 精心设计实验问题

精心设计的实验情境和问题更能让学生有参与感，激发学生的求知欲，促使他们主动参与实验，在实验的过程中获得成长.例如，我们先介绍实验情境：地磁场比较微弱，在人教版普通高中物理教科书必修3上查得地磁场在地面附近的平均值为5×10-5T.正因为地磁场如此微弱，关于旧版高中物理教材中利用地磁场摇绳发电的小实验曾有研究者认为“由于中学实验室条件的限制，在实际的操作中很难得到理想的结果”［1］.提出问题：摇绳发电用灵敏电流计测电流实验效果不理想，你能对此方法进行改进吗？如果测量出了感应电流的大小，你能测量地磁场的大小吗？

2 鼓励学生大胆猜想

在摇绳发电的实验中，导线旋转切割磁感线产生的是一个微弱的低频交变电流，如果直接用灵敏电流计测量电流的大小，指针不仅偏转幅度不大而且会来回摆动导致读数不准确，测量误差较大，由于无法保证匀速摇绳，从而也会导致周期测量得不准确.请学生大胆思考，我们还有没有更精密的测电流的仪器？学生很快就想到利用传感器进行测量.给学生讲解：我们可以利用介绍爱迪生Edislab3.0微电流传感器MCS400测量感应电流，通过数据采集器处理，将感应电流随时间变化的图象通过计算机实时显示出来，从传感器记录的电流与时间数据表中读出感应电流的峰值，通过理论计算得出磁感应强度的大小.

3 引导学生理论分析

在地面某一特定区域，地磁场可近似处理为匀强磁场.当两名同学东西方向站立匀速摇动绳子时即可有效地切割地磁场，此时转轴刚好与地磁场垂直.设地磁场的磁感应强度为B，匀速摇绳的角速度为ω，绳子切割磁感线的有效长度为L，转动半径为r，则绳子在转动过程中产生的感应电动势最大值为Em=BLωr.由Em=ImR可得，B=ImRLωr=ImRT2πLr，其中R为整个回路的总电阻，T是匀速摇绳的周期.实验过程中，为了减小实验误差，Im取一段时间内感应电流峰值的平均值，T等于这段时间与这段时间内绳子转动圈数的比值.

4 指导学生实践操作

4.1 实验器材

长约6m的铜芯导线一根，微电流传感器MCS400一个（量程±5μA），米尺，J2362型简式电阻箱9999Ω两个，微安表（J0415）一个，干电池一个，Edislab3.0数字实验系统，小磁针，导线若干等.

4.2 实验步骤

首先，测量微电流传感器的内阻.将微电流传感器MCS400与R1=1Ω的电阻箱并联，干路接一个微安表和9999Ω的电阻箱R2，连接在1.5V的干电池上，电路图如图1所示.微安表测得干路电流I=150μA，传感器电流I1=0.90μA，说明与微电流传感器并联的电阻R1上的电流I2=I－I1=149.10μA，从而得出传感器电阻为R=I2R1I1=165.7Ω，由于微电流传感器的内阻远大于铜芯导线的电阻，则铜芯导线电阻可忽略不计，因此整个回路的总电阻R为165.7Ω.

其次，摇绳发电.将长约为6m的铜芯导线两端直接连接在爱迪生Edislab3.0微电流传感器上，通过小磁针确定东西方向，由两位同学沿东西方向站立匀速摇动导线.如图2所示，测量出面对面两位同学双手之间的距离记录为绳子切割的磁感线的有效长度L=3.0m，两位同学手腕转动处到地面的高度记录为转动半径r=0.7m.

最后，通过计算机记录的实验数据，计算Im在8.48～13.93s这段时间内的平均值为4.20μA.这段时间内共经历了8个周期，则摇绳转动的周期约为0.68s，如图3所示.

因此，重庆地区地磁场

B=ImRT2πLr=4.20×10－6×165.70×0.682×3.14×3.0×0.7T

=3.59×10－5T.

5 辅助学生分析结果

从图3可知，微电流传感器得到的不是标准的正弦交变电流，图象上呈现出一定的畸形，在10.5s到12s这段时间内峰值还偏小等，这与摇绳的稳定性有关.由于绳子与地面接触拍打、摇绳过程中绳子扭曲形变等外界原因造成了时间轴下方的图象左右不对称等.测量结果与教材上地磁场在地面附近的平均值为5×10-5T在数量级上是统一的，与重庆大学刘安平［2］等利用光泵磁共振实验测量重庆地区地磁场的实验结果3.918×10-5T吻合较好.这也充分证明了可以利用微电流传感器测量摇绳发电过程中产生的感应电流，根据高中物理电磁感应相关知识测量地磁场的方法是可靠的.

参考文献：

［1］傅兴锋，陈林锋.对新教材中一道探究性实验题可行性的讨论［J］.物理教学探讨，2007（07）：29.

［2］刘安平，韩忠，陈曦，靳书昌，朱友军.利用光泵磁共振实验测量重庆地区地磁场［J］.大学物理实验，2013，26（05）：19-21.