介紹新教材中的電磁學實驗

新課標高中物理教材中一些實驗的研討

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

教材的變化*數(shù)字化實驗系統(tǒng)——Digitalexperimentsystem

老師們對實驗原理、方法和在教學中的運用做了深入的探討。并且創(chuàng)制了許多新教具，在日前結(jié)束的全國自制教具評選中做了集中展示。我的體會：實驗面對的是復(fù)雜多變的現(xiàn)實，沒有理想的物理模型，沒有理想的儀器、元器件，沒有絕對準確的測量和數(shù)據(jù)。不僅要用相關(guān)的理論作指導，還必須掌握和不斷更新多方面的技術(shù)知識和技能。對于現(xiàn)有的各種實驗方法和設(shè)備，要深入分析，認清其原理和優(yōu)缺點，控制實驗條件，有選擇地使用。還要擺脫傳統(tǒng)的束縛，開闊思路，改進和設(shè)計新的實驗。要重視新技術(shù)、新器材的運用。教學研究力學實驗運動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

（認識動能與速度的關(guān)系）頻閃攝影一、傳統(tǒng)的頻閃攝影

位置固定的頻閃光源，照射運動的物體。適用于拍攝多種運動體，例如小球。頻閃光源價格高，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：多只白光LED自制頻閃光源，數(shù)碼相機拍攝。二、新穎的“自頻閃”攝影

頻閃光源安裝于運動的物體上。適用于拍攝較大的、只做平動的物體，例如滑塊。自制頻閃光源，價格低廉，發(fā)光二極管壽命長。高亮度LED閃光相當強，一般的教室環(huán)境中即可。用數(shù)碼相機拍攝，即時傳送到電腦中顯示和處理?？勺鳛檎n外和家庭實驗。三、應(yīng)用案例——自由落體運動實驗裝置

整套實驗裝置由數(shù)碼相機、相機三腳架、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針旋轉(zhuǎn)90°。序號像素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

探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系一、傳統(tǒng)的實驗方法

將砝碼受的重力數(shù)值作為小車所受的拉力F，會引起學生質(zhì)疑，卻不好解釋。若不質(zhì)疑，又會留下錯誤印象。實驗中，很難做到使m<<M，導致此系統(tǒng)誤差不會太小。二、改進的方法（見教育科學出版社的課本）

將彈簧測力計安裝在小車，直接測量拉力F

。從理論上講，避免了上述系統(tǒng)誤差。運動過程中，無法看清測力計的示數(shù)，并且彈簧的振動也使讀數(shù)不穩(wěn)。因此上述方法的可行性有問題。三、應(yīng)用自制的數(shù)顯測力裝置

數(shù)顯測力計

將靈敏的微型力傳感器和可見度較高的數(shù)字表頭組合起來，滿足測量運動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，獲第七屆全國自制教具一等獎）

實驗數(shù)據(jù)1.小車質(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、探究外力做功與動能變化的關(guān)系（教科社課本）

為了建立動能的概念，并通過實驗觀察到動能與速度的平方成正比，學習試探變量間可能存在的關(guān)系。采用變力做功，不能測量其具體數(shù)值，而是巧妙地控制各次功的比值。必須使用細（k值?。┒鶆虻膬?yōu)質(zhì)橡皮筋。小商品市場有售（或從扁形的“松緊帶”中拆?。啥俗鲢^?？筛臑橄鹌そ顝椛湫∏颍柚綊佭\動射程測量速度的比值。

通過實驗觀察做功和動能變化的關(guān)系，驗證動能定理。采用恒力做功，簡化操作和數(shù)據(jù)處理。若改用數(shù)顯測力裝置，可以較好地完成實驗，減小誤差。電磁學實驗庫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量磁感應(yīng)強度自感庫侖定律一種新穎的教具（北京市朱國平老師制作，獲第七屆全國自制教具一等獎）用高靈敏電子天平代替扭秤，實現(xiàn)對帶電小金屬球之間靜電力的定量測量。實驗組所帶電量（份）距離8.0cm時作用力(mg)距離16.0cm時作用力(mg)第一組124061第二組1/26216第三組1/4175

所測兩個球之間的作用力為斥力。記錄的是電子天平的顯示值，可改為對應(yīng)的力的數(shù)值（單位為N）造成誤差的一個原因——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距離等于兩球心距的點電荷。典型實驗數(shù)據(jù)說明簡易庫侖扭秤（第七屆全國自制教具）特點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.認識電容器的基本功能。為理解電容器的應(yīng)用（如“通過”交流電、濾波、對交流電的移相、容抗、LC電磁振蕩、RC電路延時等）打下基礎(chǔ)。

2.顯示能量的轉(zhuǎn)化，知道電容器是一種儲能元件。（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，用于電動交通工具的趨勢）

3.觀察一種典型的暫態(tài)過程。了解影響RC電路充放電快慢的因素。

4.可以進一步探究這一種典型的暫態(tài)過程的定量規(guī)律，學習一種測量電容的方法。

5.可以由實驗引入電容的概念。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RC電路。即使只用一根導線，也存在很小的電阻R。

充電和放電都需要一定的時間，是一個暫態(tài)過程。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

都依照時間t的指數(shù)函數(shù)變化。

充電過程中：，

。

放電過程中：，

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

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

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

LED的門限電壓會造成電容器充不足、放不凈。4.電流表和電容器（1）用課本29頁中圖1.8-1所示的電路做實驗看不到電容器的充放電現(xiàn)象。因為電流表的電阻RA太?。ㄈ鏙0408型的0.6A擋僅0.125Ω）,使電路的時間常數(shù)太小。C：1000μFR：4.7kΩRA<<R

時間常數(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，指針擺動明顯，也不會損傷電表）

使用零點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

在電路中串入足夠大的電阻，并選用大電容，使時間常數(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)字化實驗系統(tǒng)（DES）演示用圖線顯示電容器的充電和放電過程，直觀、準確、無滯后。（課本上的圖不全面）認識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。可以顯示R、C值影響充放電的快慢。可以進一步探究這一種典型的暫態(tài)過程的定量規(guī)律。（用Excel處理實驗數(shù)據(jù)，得到在

R恒定時i為t的指數(shù)函數(shù)）實驗電路特點E=6V，C=1000μF，R=300Ω，時間常數(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，時間上同步采集結(jié)果

i

的變化uC

的變化（同一個時間橫坐標，分別建立電流和電壓兩個縱坐標）RC回路中,對比R值不同對充放電快慢的影響五、由實驗引入電容的概念

——教學設(shè)計案例使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DES）采集電容器的充、放電曲線，借助曲線下的面積求出充入和放出的電量Q。對同一個電容器，用不同的電壓U充電，看到比值Q/U相同。（以前只是說）

對不同的電容器，用相同的電壓U充電，看到比值Q/U不同。（以前只是說）

認識到比值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，進行“求積分”操作，由曲線與t

軸之間圖形（黃色）的面積求出充入和放出的電量Q。

然后計算比值Q/U

。

典型實驗數(shù)據(jù)

（1）同一個電容器，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，被測電容器的標稱值1000μF結(jié)論：同一個電容器，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號電容器（標稱1000μF）2號電容器（標稱2000μF）3號電容器（標稱3000μF）六、影響電容器電容大小的因素

分析：靜電計也具有電容C0

，用靜電計測量時，相當于平行板電容器的電容C

與C0并聯(lián)，靜電計將帶有電量Q0

，兩者電勢差相等。有。

改變平行板電容器的電容C

時，兩者間的電荷要重新分配。只有當C0<<C

的條件下，才能近似認為平行板電容器所帶的電量Q不變。

實際情況：C

和C0值，都可用數(shù)字萬用表的電容擋測出：常用靜電計的C0約3~4pF，直徑25cm的圓盤形平行板在空氣中正相對、間距為1cm時C約45pF。

問題：右圖實驗中，改變兩個金屬板的距離、正對面積、兩板間介質(zhì)時，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電容器為什么會有那么大的電容？晶體二極管的伏安特性用指針式萬用表歐姆檔檢測硅二極管1N4004的正向伏安特性（又一種常見的非線性元件）硅管的門限電壓：約0.65V可用小燈泡作簡單的演示初步認識單向?qū)щ娦?。認識實際的二極管存在正向電阻。但不是定值，通過的電流越大時電阻越小。──67頁《實驗》正向曲線的形狀導通后，電壓增加少許，電流將劇烈增加。因此為了防止燒毀，應(yīng)當控制正向電流的大小，而不是用電壓值來控制。課本上47頁圖2.3–5中不準確，（正向曲線似為鍺管的，但反向似為硅管的）。實測某種型號二極管的正向曲線如右圖。測量二極管正向特性的電路發(fā)現(xiàn)問題采取對策

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)誤差相當大，特別是在從截止轉(zhuǎn)為導通的過程中的數(shù)據(jù)。

取甲圖電路，改用數(shù)字萬用表的電壓擋測電壓。（內(nèi)阻10MΩ）或取右圖電路，普通指針式電壓表，采用補償法測電壓。測量水果電池的電動勢和內(nèi)電阻：有趣味，內(nèi)電阻明顯，但是對器材要求比較特殊。

在新鮮的蘋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)字萬用表測電壓（電表內(nèi)阻10MΩ)，直流微安表（0-200μA、J0415型）測電流，10kΩ的電位器調(diào)節(jié)電流。汪維澄老師實驗結(jié)果：(用Excel處理數(shù)據(jù)擬合圖線)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，電極材料相當于鋅，與鐵釘不同。磁感應(yīng)強度的測量2.使用霍爾元件1.使用電流天平

依據(jù)。較精密，不方便。以前配備有專用教學儀器。霍爾元件：由硅、鍺、砷化銦等半導體材料的薄片制成，加外封裝，4個引出端。（103頁）價格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UH

。3.使用磁傳感器測量

（需要與數(shù)字化實驗系統(tǒng)連接，見課本89頁）

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

如何測定B的大??？將探頭放在待測的磁場中，測出的是B沿著其軸線的分量。所以必須將探頭端部在原地轉(zhuǎn)動，使測量讀數(shù)（絕對值）達到最大，才是此位置的B

值。

探頭

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

（課本89頁圖3.3-14）（1）短線圈縱軸線上磁感應(yīng)強度的分布線圈直徑2.5cm，長7cm，匝數(shù)1200。電流I=0.40A

恒定。（2）長線圈縱軸線上磁感應(yīng)強度的分布線圈直徑2.5cm，長16cm，匝數(shù)3000。電流I=0.20A

恒定。

與線圈幾何形狀的關(guān)系除去靠近端口部分，中間很大區(qū)域是勻強的。理論公式：對于無限長的螺線管μ0

真空的磁導率n單位長度內(nèi)的匝數(shù)

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

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

自感一、教學目的

1.全面認識自感現(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)過程，知道線圈中的電流不能突變。二、實驗設(shè)計（傳統(tǒng)方法）

優(yōu)點：器材簡單；斷電自感實驗?zāi)苊黠@地顯示線圈的磁場具有能量，說明自感線圈是一種儲能元件。

缺點：小燈泡不能確切反映電流變化的過程；不能顯示自感電動勢的方向；通電和斷電自感實驗，往往需要用兩個不同參數(shù)的大鐵芯線圈；對斷電自感現(xiàn)象中會產(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

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

由于產(chǎn)生自感電動勢，通電時線圈中電流的增長和斷電時電流的衰減都需要一定的時間，是一個暫態(tài)過程。也就是說，電感線圈中的電流i不可能“突變”。當R恒定，空心線