吴宇锋 俞丽萍

（春晖中学 浙江 上虞 312300）

物理学是一门以实验为基础的学科.一般而言，每一个物理规律都应由很多实验事实作支撑.人的思维从感性认识上升到理性认识，从观察实验结果到得出物理规律，不是一个被动的过程，应该是一个能动的过程.当感性材料达到一定程度的时候，思维能动地对这些材料进行分析、综合、比较、分类等，形成对事物的一般概括和理解.利用DIS可以提高学生的感性认识，为学生理解物理现象、概念和规律打下一定的基础.

1 利用DIS帮助学生正确理解物理现象

感性认识是进行思维加工，正确理解物理现象的基础，是激发学生学习动机和兴趣的有效武器.实验是获得感性认识的重要途径.运用实验展示有关的物理现象，可以使学生获得更生动、更深刻、更能反映事物本质属性或共同特征的感性认识.

实验案例1：导体棒切割磁感线产生感应电流

实验背景：在“电磁学”内容中，要求学生建立“电－磁”关系模型，并理解磁现象的电本质.此章的实验对测量仪器要求很高，例如，要求有能测微安级电流的电流表，还要求能够测量磁场的磁感应强度等.传统的实验仪器在这方面恰恰存在欠缺.例如，在导体切割磁感线产生感生电流实验中，最理想的实验方案是使用单根导线，因为单根导线结构简单，最符合教材中对导体切割磁感线产生感生电流的描述，学生不存在认知困难.但由于传统实验中测微小电流信号的灵敏电流计只能达到毫安级，再加上单根导线切割磁感线的感生电动势很小，得到的感生电流相当微弱，导致灵敏电流计指针偏转很不明显.在教学实践中往往采取增加磁场强度、导线在磁场中有效长度的方法，或直接使用微电流放大电路.采取这些措施虽然取得一定效果，但导线长度的增加毕竟是有限的，微电流放大电路又利用了“放大电流”的辅助实验设备.教师往往退而求其次，使用多匝线圈代替单根导线，使得学生在认知过程中增加了将多匝线圈视为单一导体的“头脑转弯”.DIS微电流传感器将实验精度从灵敏电流计的毫安级提升到了微安级，从而能清晰地观察到感应电流.

实验器材：蹄形磁铁，铜棒，导线若干，微电流传感器.

实验原理：铜棒平行磁感线运动时，通过微电流传感器，在计算机上显示微电流的变化情况.

实验过程：

（1）如图1所示，铜棒通过导线与微电流传感器相连.

图1 铜棒在磁场中运动

（2）铜棒平行磁感线运动时，观察微电流的变化情况.

（3）铜棒切割磁感线运动时，观察微电流的变化情况.

实验结果：如图2所示，当导体棒平行磁感线运动时，导体棒中没有感应电流.如图3所示，当导体棒切割磁感线运动时，导体棒中产生感应电流.利用非常简单的实验装置，直接显示了导体棒在切割磁感线时产生感应电流的现象.“耳听为虚，眼见为实”，有了微电流传感器的帮忙，导体棒在磁场中切割磁感线时产生感应电流现象能非常清楚地被学生观察到.

图2 导体棒平行磁感线运动

图3 导体棒切割磁感线运动

2 利用DIS帮助学生形成正确的物理概念

物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人脑中的反映.只有充分获得有关事物的感性材料，才能形成正确的物理概念，充分理解物理概念的内涵和外延，灵活解决物理问题.感性认识是物理概念学习过程中的主要思维过程之一.

实验案例2：“反电动势”概念的理解

实验背景：“反电动势”是学生普遍感到难以理解的物理概念.特别是当电动机的转速逐渐增大时，电路中的电流逐渐减小；当电动机的负载增大时，转速减小，甚至是电动机停止转动时，电路中的电流又会增大到某一个值.学生感觉反电动势太“奥妙”了.在传统的实验中，一般将电动机与灵敏电流计相连接，利用灵敏电流计显示电动机中电流的变化情况.但灵敏电流计的指针太过灵敏，显示不出随着电动机转速的增大，电路中电流逐渐变小的过程，对学生正确理解“反电动势”的概念造成了一定障碍.

实验过程：

（1）如图4所示，将稳压电源（6V）、电动机、电流传感器和开关S串联在电路中.其实物的连接图如图5所示.由于学生难以观察电动机的中心轴转动，故在电动机的轴上套一块橡皮，以便学生通过橡皮的转动情况观察电动机中心轴的转动情况.

图4 “反电动势”实验电路图

图5 “反电动势”实验实物图

（2）闭合开关S，打开DIS自带的软件开关，电动机开始转动，同时，在计算机屏幕上显示了电路中的电流随时间的变化情况.

（3）用手捏住橡皮，使电动机停止转动，在计算机屏幕上显示了电路中的电流随时间的变化情况.

（4）整个过程中，电路中的电流随时间的变化情况如图6所示.从图中可以看出，在开关刚闭合的瞬间，即电动机开始转动的过程中，电路中的电流逐渐增加.当电动机的转速稳定后，电路中的电流亦稳定.当电动机停止转动时，电路中的电流突然增大.

图6 电流随时间的变化情况

实验结果：通过实验，发现反电动势与电动机的转速有关.若稳压电源为U，电动机线圈电阻为R，则由

可得

E反与电动机的转速有关，当电动机的负载增大时，转速减小，E反减小，故电流I突然增大.

3 利用DIS帮助学生正确理解物理规律

物理规律是观察实验、物理思维和数学推理相结合的产物.如果没有足够的能够把有关的物理现象及其之间的联系鲜明地展示出来的实验，学生就很难理解物理规律的来龙去脉、物理意义、适用条件等，从而影响对物理规律的掌握和理解.

实验案例3：自感现象

实验背景：自感是学生学习电磁感应内容的一个难点.在进行实验的过程中，电路如图7所示，先闭合开关S使小灯泡A发光，然后断开开关.请学生观察开关断开时小灯泡的亮度.但小灯泡亮的时间非常短，而且由于没有对照的小灯泡，很难观察到其亮度是否比原来更亮，更无法知道流过小灯泡电流方向的变化情况.

图7 自感现象实验传统电路图

实验过程：

（1）实验电路如图8所示.在小灯泡A所在的支路上串联一个电流传感器，其实物连接如图9所示.

图8 改进的自感现象实验电路图

图9 改进的自感现象实验实物图

（2）闭合开关，电路稳定后，小灯泡A发光，然后断开开关S.请学生观察在断开开关S时，小灯泡A亮度的变化情况.同时，通过电流传感器在计算机屏幕上显示出电流随时间t的变化情况，如图10所示.

图10 自感现象实验电路变化情况

实验结果：从图10中，不难看出，电路稳定时，电路中的电流为0.2A，在断开开关S瞬间，电路中的电流为0.25A，比原电流大，并且流过小灯泡的电流方向发生了变化.

实验案例4：研究软硬物体间的作用力与反作用力

实验背景：“鸡蛋碰石头”往往被作为学生学习了牛顿第三定律以后，对牛顿第三定律的具体应用.鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力为什么会相等呢？因为鸡蛋对石头的作用力与石头对鸡蛋的作用力是一对作用力与反作用力.那么，可不可以通过实验来证明呢？

实验过程：

（1）如图11，将矿泉水瓶的中间截断，得到一个透明的塑料环.用双面胶将塑料环和橡皮连接起来.

图11 矿泉水瓶截成的塑料环和橡皮粘贴一起

（2）如图12所示，将塑料环的一端和橡皮的一端分别与两个力传感器相连.两个力传感器分别显示了塑料环与橡皮之间相互作用力的大小.

图12 验证塑料环与橡皮间相互作用力

（3）在外力的作用下，使塑料环发生形变.在计算机屏幕上显示了两个力传感器之间的相互作用力（即橡皮对塑料环的作用力和塑料环对橡皮的作用力）.橡皮比较硬，相当于“石头”，塑料环比较软，相当于“鸡蛋”.

实验结论：由图13可得，软的物体对硬物体的作用力与硬物体对软物体的作用力大小相等，方向相反.

图13 橡皮与塑料环间的相互作用力

4 反思与讨论

（1）实验条件的控制

利用DIS提高感性认识的实验要求现象明显，容易对实验的变量进行控制.此类实验往往通过改变实验变量，在不同情况下得出前后两种不同实验结果的对比，得出实验结论，加深对物理现象、物理概念、物理规律的理解.例如，在“导体棒切割磁感线产生感应电流实验”中，改变铜棒运动的方向，通过“导体棒平行磁感线运动”与“导体棒切割磁感线运动”两种不同的实验情况而得出感应电流产生的条件.

（2）实验发生的阶段

演示实验的目的之一是让教师引导学生对物质（物体）的属性或关系进行探究，通过对感性材料的研究概括出物理概念或总结得出物理规律.就教学设计而言，利用DIS提高感性认识的实验往往设置在一个问题或一个课题的引入阶段.例如，“导体棒切割磁感线产生感应电流实验”说明“导体棒切割磁感线能够产生感应电流”，但产生感应电流的条件是什么，产生的感应电流遵从怎样的规律，都是后续深入研究的问题.“反电动势”的实验说明，电动机转速的变化会引起电路中电流的变化，“电动机转速的变化为什么会引起电路电流的变化”为学生进一步理解“反电动势”概念作了一定的铺垫.

（3）DIS实验与传统实验的整合

“自感现象”的DIS实验很好地体现了DIS实验与传统实验的整合.图9中的实验装置在传统实验中用来演示当开关断开的瞬间流过小灯泡电流的大小与开关闭合时流过小灯泡电流的大小关系，在开关闭合的瞬间，小灯泡“闪”了一下，说明通过小灯泡的电流比原来大了.在原传统实验装置的基础上，DIS实验对实验装置进行了进一步的改造，接入电流传感器（图8），既让学生观察到了电路中小灯泡的明暗变化情况，又借助于DIS软件，使学生看到了流过小灯泡的电流的大小及方向的变化情况.此实验“一举两得”，很好地体现了DIS实验与传统实验的整合.