介紹新教材中的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)

新課標(biāo)高中物理教材中一些實(shí)驗(yàn)的研討

前言大部分仍是是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，但是依據(jù)新的理念設(shè)計(jì)了一些新的教學(xué)方法，重視了探究性和開(kāi)放性。某些知識(shí)的內(nèi)容有所充實(shí)和提高，相應(yīng)地設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。增加了與新章節(jié)（如邏輯電路和傳感器）配套的新實(shí)驗(yàn)。推薦了若干使用現(xiàn)代技術(shù)（如傳感器和DES）的實(shí)驗(yàn)。

教材的變化*數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——Digitalexperimentsystem

老師們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、方法和在教學(xué)中的運(yùn)用做了深入的探討。并且創(chuàng)制了許多新教具，在日前結(jié)束的全國(guó)自制教具評(píng)選中做了集中展示。我的體會(huì)：實(shí)驗(yàn)面對(duì)的是復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)，沒(méi)有理想的物理模型，沒(méi)有理想的儀器、元器件，沒(méi)有絕對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量和數(shù)據(jù)。不僅要用相關(guān)的理論作指導(dǎo)，還必須掌握和不斷更新多方面的技術(shù)知識(shí)和技能。對(duì)于現(xiàn)有的各種實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備，要深入分析，認(rèn)清其原理和優(yōu)缺點(diǎn)，控制實(shí)驗(yàn)條件，有選擇地使用。還要擺脫傳統(tǒng)的束縛，開(kāi)闊思路，改進(jìn)和設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)。要重視新技術(shù)、新器材的運(yùn)用。教學(xué)研究力學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)物體的頻閃攝影探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系探究做功與速度變化的關(guān)系

（認(rèn)識(shí)動(dòng)能與速度的關(guān)系）頻閃攝影一、傳統(tǒng)的頻閃攝影

位置固定的頻閃光源，照射運(yùn)動(dòng)的物體。適用于拍攝多種運(yùn)動(dòng)體，例如小球。頻閃光源價(jià)格高，氣體放電閃光管壽命有限。需要黑暗的環(huán)境。膠卷需要洗印。改進(jìn)：多只白光LED自制頻閃光源，數(shù)碼相機(jī)拍攝。二、新穎的“自頻閃”攝影

頻閃光源安裝于運(yùn)動(dòng)的物體上。適用于拍攝較大的、只做平動(dòng)的物體，例如滑塊。自制頻閃光源，價(jià)格低廉，發(fā)光二極管壽命長(zhǎng)。高亮度LED閃光相當(dāng)強(qiáng)，一般的教室環(huán)境中即可。用數(shù)碼相機(jī)拍攝，即時(shí)傳送到電腦中顯示和處理?？勺鳛檎n外和家庭實(shí)驗(yàn)。三、應(yīng)用案例——自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置

整套實(shí)驗(yàn)裝置由數(shù)碼相機(jī)、相機(jī)三腳架、背景板（黑色）、遙控電磁鐵、遙控器和自頻閃落體組成

照片

注：照片已作裁剪處理并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。序號(hào)像素t/sy/m1120.020.00372450.040.01383930.060.028541520.080.046552250.10.068963110.120.095274100.140.125585200.160.159196440.180.1970107810.20.2390119300.220.28461210920.240.33421312670.260.38781414550.280.44531516560.30.50681618700.320.5723數(shù)據(jù)圖線(xiàn)

探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系一、傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法

將砝碼受的重力數(shù)值作為小車(chē)所受的拉力F，會(huì)引起學(xué)生質(zhì)疑，卻不好解釋。若不質(zhì)疑，又會(huì)留下錯(cuò)誤印象。實(shí)驗(yàn)中，很難做到使m<<M，導(dǎo)致此系統(tǒng)誤差不會(huì)太小。二、改進(jìn)的方法（見(jiàn)教育科學(xué)出版社的課本）

將彈簧測(cè)力計(jì)安裝在小車(chē)，直接測(cè)量拉力F

。從理論上講，避免了上述系統(tǒng)誤差。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)法看清測(cè)力計(jì)的示數(shù)，并且彈簧的振動(dòng)也使讀數(shù)不穩(wěn)。因此上述方法的可行性有問(wèn)題。三、應(yīng)用自制的數(shù)顯測(cè)力裝置

數(shù)顯測(cè)力計(jì)

將靈敏的微型力傳感器和可見(jiàn)度較高的數(shù)字表頭組合起來(lái)，滿(mǎn)足測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體受力這一特定的需求。成本低，易自制。（北京人大附中吳月江老師制作，獲第七屆全國(guó)自制教具一等獎(jiǎng)）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.小車(chē)質(zhì)量恒定：M=428.5g次F/Nt1/mSt2/mSv1/mS^-1v2/mS^-1dt/mSa/mS^-210.09239.5821.260.2530.4701013.690.21520.13635.1617.720.2840.564868.160.32230.1828.5715.230.3500.657728.640.42140.22425.2313.710.3960.729652.250.51150.26824.8112.740.4030.785618.570.61760.3124.8212.050.4030.830597.340.71570.34724.7311.50.4040.870577.290.8062.拉力不變：f=0.270N次M/Kg1/Mt1/mSv1/ms^-1t2/msv2/ms^-1dt/mSa/ms^-210.3752.66717.920.55810.880.919487.620.74020.4252.35320.210.49511.860.843536.730.64930.4752.10522.880.43712.730.786588.520.59240.5251.90522.730.434013.220.756595.560.53150.5751.73924.840.40314.10.709640.260.47960.6251.60024.80.40314.280.700645.340.46070.6751.48124.330.41114.620.684650.780.419動(dòng)能一、探究做功與速度變化的關(guān)系（人教社課本）二、探究外力做功與動(dòng)能變化的關(guān)系（教科社課本）

為了建立動(dòng)能的概念，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到動(dòng)能與速度的平方成正比，學(xué)習(xí)試探變量間可能存在的關(guān)系。采用變力做功，不能測(cè)量其具體數(shù)值，而是巧妙地控制各次功的比值。必須使用細(xì)（k值?。┒鶆虻膬?yōu)質(zhì)橡皮筋。小商品市場(chǎng)有售（或從扁形的“松緊帶”中拆?。啥俗鲢^?？筛臑橄鹌そ顝椛湫∏?，借助平拋運(yùn)動(dòng)射程測(cè)量速度的比值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察做功和動(dòng)能變化的關(guān)系，驗(yàn)證動(dòng)能定理。采用恒力做功，簡(jiǎn)化操作和數(shù)據(jù)處理。若改用數(shù)顯測(cè)力裝置，可以較好地完成實(shí)驗(yàn)，減小誤差。電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)庫(kù)侖定律電容器的充放電和電容二極管的伏安特性水果電池測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度自感庫(kù)侖定律一種新穎的教具（北京市朱國(guó)平老師制作，獲第七屆全國(guó)自制教具一等獎(jiǎng)）用高靈敏電子天平代替扭秤，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電小金屬球之間靜電力的定量測(cè)量。實(shí)驗(yàn)組所帶電量（份）距離8.0cm時(shí)作用力(mg)距離16.0cm時(shí)作用力(mg)第一組124061第二組1/26216第三組1/4175

所測(cè)兩個(gè)球之間的作用力為斥力。記錄的是電子天平的顯示值，可改為對(duì)應(yīng)的力的數(shù)值（單位為N）造成誤差的一個(gè)原因——靜電力使小球表面的電荷分布不均勻，因而不能將其視為兩個(gè)距離等于兩球心距的點(diǎn)電荷。典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明簡(jiǎn)易庫(kù)侖扭秤（第七屆全國(guó)自制教具）特點(diǎn)使用聚四氟乙烯絕緣桿用激光筆顯示扭轉(zhuǎn)角度增加阻尼葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，易制作功能定性演示（四川尹崇榮老師制作）電容器的充放電和電容

1.認(rèn)識(shí)電容器的基本功能。為理解電容器的應(yīng)用（如“通過(guò)”交流電、濾波、對(duì)交流電的移相、容抗、LC電磁振蕩、RC電路延時(shí)等）打下基礎(chǔ)。

2.顯示能量的轉(zhuǎn)化，知道電容器是一種儲(chǔ)能元件。（應(yīng)用事例：攝影閃光燈、環(huán)保手電筒。有取代鎳氫、鋰離子電池，用于電動(dòng)交通工具的趨勢(shì)）

3.觀察一種典型的暫態(tài)過(guò)程。了解影響RC電路充放電快慢的因素。

4.可以進(jìn)一步探究這一種典型的暫態(tài)過(guò)程的定量規(guī)律，學(xué)習(xí)一種測(cè)量電容的方法。

5.可以由實(shí)驗(yàn)引入電容的概念。一、演示電容器充放電現(xiàn)象的目的二、相關(guān)的理論

電容器C的充電和放電電路都是一個(gè)RC電路。即使只用一根導(dǎo)線(xiàn)，也存在很小的電阻R。

充電和放電都需要一定的時(shí)間，是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程。不是“瞬間”完的。因此，電容器兩端的電壓u不可能“突變”。在R恒定的條件下，u

和i

都依照時(shí)間t的指數(shù)函數(shù)變化。

充電過(guò)程中：，

。

放電過(guò)程中：，

。上述各式中，乘積RC具有時(shí)間量綱，叫做這個(gè)電路的時(shí)間常數(shù)。當(dāng)t=RC

時(shí)，，因此RC反應(yīng)了充放電的快慢。三、常用的幾種實(shí)驗(yàn)方法分析萊頓瓶（古典的實(shí)驗(yàn)）用起電機(jī)充電，看不到現(xiàn)象和過(guò)程。用放電叉放電時(shí)產(chǎn)生火花（光、聲）。2.小燈泡和電容器直觀顯示電容器儲(chǔ)存能量E。

實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵：有足夠大的時(shí)間常數(shù)RC，得以完整地顯示出這種暫態(tài)過(guò)程。常用小燈泡的R較小，所以要用很大的電容C(104μF~1F)，這樣儲(chǔ)存能量也較多。定性顯示充放電過(guò)程中電流強(qiáng)度的變化。法拉級(jí)電解電容器3.發(fā)光二極管（LED）和電容器能顯示充放電過(guò)程中電流的方向，并定性顯示電流強(qiáng)度的變化。也需要較大的時(shí)間常數(shù)，所以要用相當(dāng)大的電容C，并串入電阻器增加電路中的R值。

LED的門(mén)限電壓會(huì)造成電容器充不足、放不凈。4.電流表和電容器（1）用課本29頁(yè)中圖1.8-1所示的電路做實(shí)驗(yàn)看不到電容器的充放電現(xiàn)象。因?yàn)殡娏鞅淼碾娮鑂A太?。ㄈ鏙0408型的0.6A擋僅0.125Ω）,使電路的時(shí)間常數(shù)太小。C：1000μFR：4.7kΩRA<<R

時(shí)間常數(shù)τ=

RC=4.7sE：6V

初始電流i0=E/R=1.28mA電流表：-1~0~1mA（量限稍小于初始電流，指針擺動(dòng)明顯，也不會(huì)損傷電表）

使用零點(diǎn)在中央的演示電流表。能顯示電流的方向和大小的定量變化。其量程要依據(jù)R和電源電壓E選擇。（2）正確的設(shè)計(jì)

在電路中串入足夠大的電阻，并選用大電容，使時(shí)間常數(shù)足夠大（如幾秒）。

電流表指針系統(tǒng)的慣性和阻尼使顯示滯后于電流的變化。四、使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DES）演示用圖線(xiàn)顯示電容器的充電和放電過(guò)程，直觀、準(zhǔn)確、無(wú)滯后。（課本上的圖不全面）認(rèn)識(shí)到電容器上的電壓不能突變，充電和放電電流都是逐漸衰減的。可以由電容器上電壓的變化反映能量的轉(zhuǎn)化?？梢燥@示R、C值影響充放電的快慢?？梢赃M(jìn)一步探究這一種典型的暫態(tài)過(guò)程的定量規(guī)律。（用Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在

R恒定時(shí)i為t的指數(shù)函數(shù)）實(shí)驗(yàn)電路特點(diǎn)E=6V，C=1000μF，R=300Ω，時(shí)間常數(shù)RC=0.3s，i0=20mA。電流傳感器量程：0~20mA，電壓傳感器量程：0~20V。上圖：i的變化下圖：u

的變化分別建立i-t

和u-t

坐標(biāo)，時(shí)間上同步采集結(jié)果

i

的變化uC

的變化（同一個(gè)時(shí)間橫坐標(biāo)，分別建立電流和電壓兩個(gè)縱坐標(biāo)）RC回路中,對(duì)比R值不同對(duì)充放電快慢的影響五、由實(shí)驗(yàn)引入電容的概念

——教學(xué)設(shè)計(jì)案例使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DES）采集電容器的充、放電曲線(xiàn)，借助曲線(xiàn)下的面積求出充入和放出的電量Q。對(duì)同一個(gè)電容器，用不同的電壓U充電，看到比值Q/U相同。（以前只是說(shuō)）

對(duì)不同的電容器，用相同的電壓U充電，看到比值Q/U不同。（以前只是說(shuō)）

認(rèn)識(shí)到比值Q/U反映了電容器自身的屬性——引入電容的概念。

利用系統(tǒng)提供的軟件，進(jìn)行“求積分”操作，由曲線(xiàn)與t

軸之間圖形（黃色）的面積求出充入和放出的電量Q。

然后計(jì)算比值Q/U

。

典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）同一個(gè)電容器，分別用4、3、2、1節(jié)干電池充、放電次U/VQ/mCQ/U充電放電平均16.276.556.666.601.05×10324.704.944.834.881.04×10333.133.193.383.281.05×10341.571.571.631.601.02×103注：R=300Ω，被測(cè)電容器的標(biāo)稱(chēng)值1000μF結(jié)論：同一個(gè)電容器，比值Q

/U

為定值。（2）不同的電容器，都用4節(jié)干電池充、放電電容器編號(hào)U/VQ/mCQ/U充電放電平均16.065.875.705.790.96×10326.0611.711.611.71.93×10336.0617.717.517.62.90×103結(jié)論：不同的電容器，比值Q

/

U

不同。R=300Ω1號(hào)電容器（標(biāo)稱(chēng)1000μF）2號(hào)電容器（標(biāo)稱(chēng)2000μF）3號(hào)電容器（標(biāo)稱(chēng)3000μF）六、影響電容器電容大小的因素

分析：靜電計(jì)也具有電容C0

，用靜電計(jì)測(cè)量時(shí)，相當(dāng)于平行板電容器的電容C

與C0并聯(lián)，靜電計(jì)將帶有電量Q0

，兩者電勢(shì)差相等。有。

改變平行板電容器的電容C

時(shí)，兩者間的電荷要重新分配。只有當(dāng)C0<<C

的條件下，才能近似認(rèn)為平行板電容器所帶的電量Q不變。

實(shí)際情況：C

和C0值，都可用數(shù)字萬(wàn)用表的電容擋測(cè)出：常用靜電計(jì)的C0約3~4pF，直徑25cm的圓盤(pán)形平行板在空氣中正相對(duì)、間距為1cm時(shí)C約45pF。

問(wèn)題：右圖實(shí)驗(yàn)中，改變兩個(gè)金屬板的距離、正對(duì)面積、兩板間介質(zhì)時(shí)，板上所帶電量是否真的保持不變？普通的電解電容器和法拉級(jí)電容器為什么會(huì)有那么大的電容？晶體二極管的伏安特性用指針式萬(wàn)用表歐姆檔檢測(cè)硅二極管1N4004的正向伏安特性（又一種常見(jiàn)的非線(xiàn)性元件）硅管的門(mén)限電壓：約0.65V可用小燈泡作簡(jiǎn)單的演示初步認(rèn)識(shí)單向?qū)щ娦?。認(rèn)識(shí)實(shí)際的二極管存在正向電阻。但不是定值，通過(guò)的電流越大時(shí)電阻越小。──67頁(yè)《實(shí)驗(yàn)》正向曲線(xiàn)的形狀導(dǎo)通后，電壓增加少許，電流將劇烈增加。因此為了防止燒毀，應(yīng)當(dāng)控制正向電流的大小，而不是用電壓值來(lái)控制。課本上47頁(yè)圖2.3–5中不準(zhǔn)確，（正向曲線(xiàn)似為鍺管的，但反向似為硅管的）。實(shí)測(cè)某種型號(hào)二極管的正向曲線(xiàn)如右圖。測(cè)量二極管正向特性的電路發(fā)現(xiàn)問(wèn)題采取對(duì)策

使用普通的指針式電壓表和毫安表，它們的內(nèi)阻RV、

RA

造成的系統(tǒng)誤差相當(dāng)大，特別是在從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

取甲圖電路，改用數(shù)字萬(wàn)用表的電壓擋測(cè)電壓。（內(nèi)阻10MΩ）或取右圖電路，普通指針式電壓表，采用補(bǔ)償法測(cè)電壓。測(cè)量水果電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻：有趣味，內(nèi)電阻明顯，但是對(duì)器材要求比較特殊。

在新鮮的蘋(píng)果中插入面積不小于3cm2

的銅片和鐵片（大些更好），相距約7mm（近些更好）。用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)電壓（電表內(nèi)阻10MΩ)，直流微安表（0-200μA、J0415型）測(cè)電流，10kΩ的電位器調(diào)節(jié)電流。汪維澄老師實(shí)驗(yàn)結(jié)果：(用Excel處理數(shù)據(jù)擬合圖線(xiàn))E=0.394V，r=6.0kΩ水果電池不同水果、不同材料電極得到的E不同。加大極板面積、減小極板間距，可減小電池的內(nèi)阻。鐵絲表面鍍鋅，電極材料相當(dāng)于鋅，與鐵釘不同。磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量2.使用霍爾元件1.使用電流天平

依據(jù)。較精密，不方便。以前配備有專(zhuān)用教學(xué)儀器?；魻栐河晒?、鍺、砷化銦等半導(dǎo)體材料的薄片制成，加外封裝，4個(gè)引出端。（103頁(yè)）價(jià)格2元。原理：霍爾效應(yīng)

UH=KH

B

I,使I、KH

恒定，則霍爾電壓UH∝B。演示：I=10mA，恒流。數(shù)字表

mV檔（內(nèi)阻10MΩ）測(cè)UH

。3.使用磁傳感器測(cè)量

（需要與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接，見(jiàn)課本89頁(yè)）

如何判定B的方向？達(dá)到前述狀態(tài)時(shí)，若讀數(shù)為正值，則B的方向如右圖；若讀數(shù)為負(fù)值，則B的方向與右圖相反。

如何測(cè)定B的大??？將探頭放在待測(cè)的磁場(chǎng)中，測(cè)出的是B沿著其軸線(xiàn)的分量。所以必須將探頭端部在原地轉(zhuǎn)動(dòng)，使測(cè)量讀數(shù)（絕對(duì)值）達(dá)到最大，才是此位置的B

值。

探頭

前端內(nèi)裝有線(xiàn)性霍爾集成電路塊H（內(nèi)含霍爾元件和線(xiàn)性放大器，型號(hào)3503），為矩形小片，3根引腳。4.研究通電直螺線(xiàn)管內(nèi)的磁場(chǎng)

（課本89頁(yè)圖3.3-14）（1）短線(xiàn)圈縱軸線(xiàn)上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布線(xiàn)圈直徑2.5cm，長(zhǎng)7cm，匝數(shù)1200。電流I=0.40A

恒定。（2）長(zhǎng)線(xiàn)圈縱軸線(xiàn)上磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布線(xiàn)圈直徑2.5cm，長(zhǎng)16cm，匝數(shù)3000。電流I=0.20A

恒定。

與線(xiàn)圈幾何形狀的關(guān)系除去靠近端口部分，中間很大區(qū)域是勻強(qiáng)的。理論公式：對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)的螺線(xiàn)管μ0

真空的磁導(dǎo)率n單位長(zhǎng)度內(nèi)的匝數(shù)

與通入電流強(qiáng)度I的關(guān)系在前述400匝線(xiàn)圈內(nèi)B最大的位置探測(cè)，結(jié)果：B與I成正比。

與線(xiàn)圈單位長(zhǎng)度匝數(shù)n的關(guān)系在前述400匝線(xiàn)圈外加層再繞400匝，不改變線(xiàn)圈長(zhǎng)度。I=0.30A恒定。結(jié)果：B與n成正比。匝數(shù)400800B/mT1.653.37

自感一、教學(xué)目的

1.全面認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象，理解產(chǎn)生自感現(xiàn)象的原因。

2.觀察另一種典型的暫態(tài)過(guò)程，知道線(xiàn)圈中的電流不能突變。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（傳統(tǒng)方法）

優(yōu)點(diǎn)：器材簡(jiǎn)單；斷電自感實(shí)驗(yàn)?zāi)苊黠@地顯示線(xiàn)圈的磁場(chǎng)具有能量，說(shuō)明自感線(xiàn)圈是一種儲(chǔ)能元件。

缺點(diǎn)：小燈泡不能確切反映電流變化的過(guò)程；不能顯示自感電動(dòng)勢(shì)的方向；通電和斷電自感實(shí)驗(yàn)，往往需要用兩個(gè)不同參數(shù)的大鐵芯線(xiàn)圈；對(duì)斷電自感現(xiàn)象中會(huì)產(chǎn)生燈泡突然閃亮現(xiàn)象的條件和原因不易講清楚。通電自感現(xiàn)象斷電自感現(xiàn)象三、有關(guān)自感的一些理論

電感線(xiàn)圈L在通電和斷電的過(guò)程中都是一個(gè)RL電路。即使不外接電阻，也存在線(xiàn)圈自身的電阻r。

由于產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，通電時(shí)線(xiàn)圈中電流的增長(zhǎng)和斷電時(shí)電流的衰減都需要一定的時(shí)間，是一個(gè)暫態(tài)過(guò)程。也就是說(shuō)，電感線(xiàn)圈中的電流i不可能“突變”。當(dāng)R恒定，空心線(xiàn)