李娟 张晓 吴秀梅

本文以探究直流电动机的能量转化为例，阐述在实验中培养学生物理学科核心素养的具体做法。

一、充分分析，确定教学目标

初中教材介绍了直流电动机的原理、主要构造及能量转化，让学生亲历简易直流电动机的组装。指出直流电动机是将电能转化为机械能的装置。高中教材安培力、洛伦兹力的定量学习及功的概念加深学生对电能和其他形式能转化本质的理解。反电动势的引入帮助学生从宏观和微观理解电动机将电能转化为机械能的本质。

高二学生已经知道：能量守恒定律、焦耳定律、磁场的基本性质、电磁感应等，能根据电路图正确连接电路，会检查与分析可能存在的简单电路故障。能正确按照实验步骤操作，会数据处理的一般方法，有一定的计算能力。学生思维活跃，但在遇到实际问题时有些同学不注意观察、分析和推理，有时不能深入理解规律的适用条件，造成错误。

根据以上分析结合物理学科核心素养和课程标准制定本节课的教学目标。物理观念：深入理解直流电动机的工作原理及工作过程中能量转化。理解反电动势在直流电动机中的作用[1]。科学思维与科学探究：会设计直流电动机能量转化的实验方案并对方案进行优化。能根据优化方案定量获得直流电动机输入的电能和输出的机械能、电热。会分析误差来源。科学态度与责任：培养学生的创新精神、合作意识及严谨踏实的学习习惯，提高学习科学技术的兴趣及用物理语言描述事实的表达能力。

本实验的难点是电动机输出机械能的测定，重点是直流电动机能量转化实验方案的设计与优化。

二、定性研究直流电动机的能量转化

课前让学生自己取材，制作简易直流电动机。一是培养学生的动手能力，二是希望学生再次重温直流电机的结构，了解其工作原理及能量转化。课中让简易电动机转动并让学生观察、触摸，同时给学生提出开放性的问题：你观察到什么？感受到什么？你能想到什么？以此来发散学生思维，重温学生学习的有关电动机的知识。

演示实验：观察电动机转与不转时电流表示数的变化。引发学生思考：电动机将电能转化为机械能的本质原因——是通过反电动势将电能转化为机械能[1]，得出电动机转与不转时两种等效电路，电动机不转时等效为纯电阻电路，电动机转动时等效为一个理想电动机和电阻的串联。给学生原来记忆的知识提供理论支持，加深学生的理解。

三、理论探究------制定实验方案并进行优化

经过定性分析学生已经认识到直流电动机将电能转化为机械能和电热，这些能量之间定量关系是什么？输入的电能和产生的电热容易计算，但输出的机械能不能直接测得。在教学中先让同学们自选器材，设计方案，再将方案展示给其他同学，其他同学提出质疑，本小组再进行优化和改进，使自己的理论方案简单、可控、误差小。此处一方面是锻炼学生的表达能力，另一方面能在别人的质疑中梳理自己的思路，培养学生科学思维素养。

学生的設计方案如下：

方案1：如图2所示。原理：能量守恒定律。电动机拉力的功等于电动机输出的机械能。需要测拉力F、物体上升的位移h、对应这段位移的时间t。在问辩过程中学生发现此方案有以下不足：拉力不好测量，重物上升h对应的运动时间用秒表测量误差大。

方案2：如图3所示。优点：不需要平衡摩擦。力传感器测量电动机中的拉力，记录小车经过光电门位置的速度，可求出光电门位置的电动机的瞬时机械功率。不足：小车上的仪器不好固定，电压表电流表瞬时值读取误差大，改用电流电压传感器又受数据线的影响。小车经过不同位置时电动机拉力的瞬时功率不同，用瞬时值测量误差较大。

方案3：如图4所示。用动能定理求一段时间内电动机输出的机械能。将滑块放在气垫导轨上，利用电动机拉动。优点：电动机固定，不需要测拉力，运动时间可通过光电门读出。不足是实验室的气垫导轨气流不均匀导致滑块受力复杂，在一段距离上电流电压的值不稳定。

这三种方案原理可行，但实际操作中都有较大误差。在这种情况下，引导学生继续分析改进方案，不放弃。找出在实验室条件下的最优化方案。同学们讨论后发现改进方案1比较容易实现。

改进： 让电动机缓慢转动，带动物体匀速上升，此时拉力等于物体的重力。

在竖直方向上不同的位置处安装光电门，如果通过两个光电们的时间近似相等，则可认为在两个光电门的高度差内，重物做匀速直线运动。重物上升h对应运动时间t，可用光电门测量。经过改进方案1存在的误差减小很多。多次改变滑动变阻器阻值，降低电动机转速，实验发现重物经过两个光电门的时间差约为5ms，通过这段距离所用的时间为500ms，可近似认为电动机在竖直方向匀速运动。实验方案确定之后，再引导学生梳理实验器材及实验步骤完成实验。（如图5 所示）

学生在教师的指导下，自觉、主动地和教师、教材、同学、教具相互作用，进行信息交流，形成了一种积极参与的学习气氛，同时创造了一个思维活跃的环境。学生的思维在开放、发散中涨落，在求异、探索中又趋于有序。这又紧紧围绕了伽利略的科学研究方法。

四、实验探究，得出结论

从计算结果看UIt>E+Q，这与之前定性结论不符，此时让学生观察自己的直流简易电动机思考误差的来源。同学们意识到通电线圈产生磁场，磁场能会有损失，电动机转动过程中转轴和支架之间摩擦产生热能散失在空气中。这些能量以目前所学的知识无法通过实验定量测量。

经过一系列思考，学生深刻理解了直流电动机的能量转化。在实验课上以落实学生的实际获得为核心，多种方式培养学生核心素养。提高学生研究其他未知科学问题的兴趣，增强解决困难的信心和勇气。