介绍新教材中的电磁学实验

新课标高中物理教材中一些实验的研讨

前言大部分仍是是传统的实验，但是依据新的理念设计了一些新的教学方法，重视了探究性和开放性。某些知识的内容有所充实和提高，相应地设计了新的实验内容。增加了与新章节（如逻辑电路和传感器）配套的新实验。推荐了若干使用现代技术（如传感器和DES）的实验。

教材的变化*数字化实验系统——Digitalexperimentsystem

老师们对实验原理、方法和在教学中的运用做了深入的探讨。并且创制了许多新教具，在日前结束的全国自制教具评选中做了集中展示。我的体会：实验面对的是复杂多变的现实，没有理想的物理模型，没有理想的仪器、元器件，没有绝对准确的测量和数据。不仅要用相关的理论作指导，还必须掌握和不断更新多方面的技术知识和技能。对于现有的各种实验方法和设备，要深入分析，认清其原理和优缺点，控制实验条件，有选择地使用。还要摆脱传统的束缚，开阔思路，改进和设计新的实验。要重视新技术、新器材的运用。教学研究力学实验运动物体的频闪摄影探究加速度与力、质量的关系探究做功与速度变化的关系

（认识动能与速度的关系）频闪摄影一、传统的频闪摄影

位置固定的频闪光源，照射运动的物体。适用于拍摄多种运动体，例如小球。频闪光源价格高，气体放电闪光管寿命有限。需要黑暗的环境。胶卷需要洗印。改进：多只白光LED自制频闪光源，数码相机拍摄。二、新颖的“自频闪”摄影

频闪光源安装于运动的物体上。适用于拍摄较大的、只做平动的物体，例如滑块。自制频闪光源，价格低廉，发光二极管寿命长。高亮度LED闪光相当强，一般的教室环境中即可。用数码相机拍摄，即时传送到电脑中显示和处理。可作为课外和家庭实验。三、应用案例——自由落体运动实验装置

整套实验装置由数码相机、相机三脚架、背景板（黑色）、遥控电磁铁、遥控器和自频闪落体组成

照片

注：照片已作裁剪处理并逆时针旋转90°。序号像素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数据图线

探究加速度与力、质量的关系一、传统的实验方法

将砝码受的重力数值作为小车所受的拉力F，会引起学生质疑，却不好解释。若不质疑，又会留下错误印象。实验中，很难做到使m<<M，导致此系统误差不会太小。二、改进的方法（见教育科学出版社的课本）

将弹簧测力计安装在小车，直接测量拉力F

。从理论上讲，避免了上述系统误差。运动过程中，无法看清测力计的示数，并且弹簧的振动也使读数不稳。因此上述方法的可行性有问题。三、应用自制的数显测力装置

数显测力计

将灵敏的微型力传感器和可见度较高的数字表头组合起来，满足测量运动物体受力这一特定的需求。成本低，易自制。（北京人大附中吴月江老师制作，获第七届全国自制教具一等奖）

实验数据1.小车质量恒定：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.拉力不变：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动能一、探究做功与速度变化的关系（人教社课本）二、探究外力做功与动能变化的关系（教科社课本）

为了建立动能的概念，并通过实验观察到动能与速度的平方成正比，学习试探变量间可能存在的关系。采用变力做功，不能测量其具体数值，而是巧妙地控制各次功的比值。必须使用细（k值小）而均匀的优质橡皮筋。小商品市场有售（或从扁形的“松紧带”中拆取）。两端做钩。可改为橡皮筋弹射小球，借助平抛运动射程测量速度的比值。

通过实验观察做功和动能变化的关系，验证动能定理。采用恒力做功，简化操作和数据处理。若改用数显测力装置，可以较好地完成实验，减小误差。电磁学实验库仑定律电容器的充放电和电容二极管的伏安特性水果电池测量磁感应强度自感库仑定律一种新颖的教具（北京市朱国平老师制作，获第七届全国自制教具一等奖）用高灵敏电子天平代替扭秤，实现对带电小金属球之间静电力的定量测量。实验组所带电量（份）距离8.0cm时作用力(mg)距离16.0cm时作用力(mg)第一组124061第二组1/26216第三组1/4175

所测两个球之间的作用力为斥力。记录的是电子天平的显示值，可改为对应的力的数值（单位为N）造成误差的一个原因——静电力使小球表面的电荷分布不均匀，因而不能将其视为两个距离等于两球心距的点电荷。典型实验数据说明简易库仑扭秤（第七届全国自制教具）特点使用聚四氟乙烯绝缘杆用激光笔显示扭转角度增加阻尼叶片结构简明，易制作功能定性演示（四川尹崇荣老师制作）电容器的充放电和电容

1.认识电容器的基本功能。为理解电容器的应用（如“通过”交流电、滤波、对交流电的移相、容抗、LC电磁振荡、RC电路延时等）打下基础。

2.显示能量的转化，知道电容器是一种储能元件。（应用事例：摄影闪光灯、环保手电筒。有取代镍氢、锂离子电池，用于电动交通工具的趋势）

3.观察一种典型的暂态过程。了解影响RC电路充放电快慢的因素。

4.可以进一步探究这一种典型的暂态过程的定量规律，学习一种测量电容的方法。

5.可以由实验引入电容的概念。一、演示电容器充放电现象的目的二、相关的理论

电容器C的充电和放电电路都是一个RC电路。即使只用一根导线，也存在很小的电阻R。

充电和放电都需要一定的时间，是一个暂态过程。不是“瞬间”完的。因此，电容器两端的电压u不可能“突变”。在R恒定的条件下，u

和i

都依照时间t的指数函数变化。

充电过程中：，

。

放电过程中：，

。上述各式中，乘积RC具有时间量纲，叫做这个电路的时间常数。当t=RC

时，，因此RC反应了充放电的快慢。三、常用的几种实验方法分析莱顿瓶（古典的实验）用起电机充电，看不到现象和过程。用放电叉放电时产生火花（光、声）。2.小灯泡和电容器直观显示电容器储存能量E。

实验成功的关键：有足够大的时间常数RC，得以完整地显示出这种暂态过程。常用小灯泡的R较小，所以要用很大的电容C(104μF~1F)，这样储存能量也较多。定性显示充放电过程中电流强度的变化。法拉级电解电容器3.发光二极管（LED）和电容器能显示充放电过程中电流的方向，并定性显示电流强度的变化。也需要较大的时间常数，所以要用相当大的电容C，并串入电阻器增加电路中的R值。

LED的门限电压会造成电容器充不足、放不净。4.电流表和电容器（1）用课本29页中图1.8-1所示的电路做实验看不到电容器的充放电现象。因为电流表的电阻RA太小（如J0408型的0.6A挡仅0.125Ω）,使电路的时间常数太小。C：1000μFR：4.7kΩRA<<R

时间常数τ=

RC=4.7sE：6V

初始电流i0=E/R=1.28mA电流表：-1~0~1mA（量限稍小于初始电流，指针摆动明显，也不会损伤电表）

使用零点在中央的演示电流表。能显示电流的方向和大小的定量变化。其量程要依据R和电源电压E选择。（2）正确的设计

在电路中串入足够大的电阻，并选用大电容，使时间常数足够大（如几秒）。

电流表指针系统的惯性和阻尼使显示滞后于电流的变化。四、使用数字化实验系统（DES）演示用图线显示电容器的充电和放电过程，直观、准确、无滞后。（课本上的图不全面）认识到电容器上的电压不能突变，充电和放电电流都是逐渐衰减的。可以由电容器上电压的变化反映能量的转化。可以显示R、C值影响充放电的快慢。可以进一步探究这一种典型的暂态过程的定量规律。（用Excel处理实验数据，得到在

R恒定时i为t的指数函数）实验电路特点E=6V，C=1000μF，R=300Ω，时间常数RC=0.3s，i0=20mA。电流传感器量程：0~20mA，电压传感器量程：0~20V。上图：i的变化下图：u

的变化分别建立i-t

和u-t

坐标，时间上同步采集结果

i

的变化uC

的变化（同一个时间横坐标，分别建立电流和电压两个纵坐标）RC回路中,对比R值不同对充放电快慢的影响五、由实验引入电容的概念

——教学设计案例使用数字化实验系统（DES）采集电容器的充、放电曲线，借助曲线下的面积求出充入和放出的电量Q。对同一个电容器，用不同的电压U充电，看到比值Q/U相同。（以前只是说）

对不同的电容器，用相同的电压U充电，看到比值Q/U不同。（以前只是说）

认识到比值Q/U反映了电容器自身的属性——引入电容的概念。

利用系统提供的软件，进行“求积分”操作，由曲线与t

轴之间图形（黄色）的面积求出充入和放出的电量Q。

然后计算比值Q/U

。

典型实验数据

（1）同一个电容器，分别用4、3、2、1节干电池充、放电次U/VQ/mCQ/U充电放电平均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，被测电容器的标称值1000μF结论：同一个电容器，比值Q

/U

为定值。（2）不同的电容器，都用4节干电池充、放电电容器编号U/VQ/mCQ/U充电放电平均16.065.875.705.790.96×10326.0611.711.611.71.93×10336.0617.717.517.62.90×103结论：不同的电容器，比值Q

/

U

不同。R=300Ω1号电容器（标称1000μF）2号电容器（标称2000μF）3号电容器（标称3000μF）六、影响电容器电容大小的因素

分析：静电计也具有电容C0

，用静电计测量时，相当于平行板电容器的电容C

与C0并联，静电计将带有电量Q0

，两者电势差相等。有。

改变平行板电容器的电容C

时，两者间的电荷要重新分配。只有当C0<<C

的条件下，才能近似认为平行板电容器所带的电量Q不变。

实际情况：C

和C0值，都可用数字万用表的电容挡测出：常用静电计的C0约3~4pF，直径25cm的圆盘形平行板在空气中正相对、间距为1cm时C约45pF。

问题：右图实验中，改变两个金属板的距离、正对面积、两板间介质时，板上所带电量是否真的保持不变？普通的电解电容器和法拉级电容器为什么会有那么大的电容？晶体二极管的伏安特性用指针式万用表欧姆档检测硅二极管1N4004的正向伏安特性（又一种常见的非线性元件）硅管的门限电压：约0.65V可用小灯泡作简单的演示初步认识单向导电性。认识实际的二极管存在正向电阻。但不是定值，通过的电流越大时电阻越小。──67页《实验》正向曲线的形状导通后，电压增加少许，电流将剧烈增加。因此为了防止烧毁，应当控制正向电流的大小，而不是用电压值来控制。课本上47页图2.3–5中不准确，（正向曲线似为锗管的，但反向似为硅管的）。实测某种型号二极管的正向曲线如右图。测量二极管正向特性的电路发现问题采取对策

使用普通的指针式电压表和毫安表，它们的内阻RV、

RA

造成的系统误差相当大，特别是在从截止转为导通的过程中的数据。

取甲图电路，改用数字万用表的电压挡测电压。（内阻10MΩ）或取右图电路，普通指针式电压表，采用补偿法测电压。测量水果电池的电动势和内电阻：有趣味，内电阻明显，但是对器材要求比较特殊。

在新鲜的苹果中插入面积不小于3cm2

的铜片和铁片（大些更好），相距约7mm（近些更好）。用数字万用表测电压（电表内阻10MΩ)，直流微安表（0-200μA、J0415型）测电流，10kΩ的电位器调节电流。汪维澄老师实验结果：(用Excel处理数据拟合图线)E=0.394V，r=6.0kΩ水果电池不同水果、不同材料电极得到的E不同。加大极板面积、减小极板间距，可减小电池的内阻。铁丝表面镀锌，电极材料相当于锌，与铁钉不同。磁感应强度的测量2.使用霍尔元件1.使用电流天平

依据。较精密，不方便。以前配备有专用教学仪器。霍尔元件：由硅、锗、砷化铟等半导体材料的薄片制成，加外封装，4个引出端。（103页）价格2元。原理：霍尔效应

UH=KH

B

I,使I、KH

恒定，则霍尔电压UH∝B。演示：I=10mA，恒流。数字表

mV档（内阻10MΩ）测UH

。3.使用磁传感器测量

（需要与数字化实验系统连接，见课本89页）

如何判定B的方向？达到前述状态时，若读数为正值，则B的方向如右图；若读数为负值，则B的方向与右图相反。

如何测定B的大小？将探头放在待测的磁场中，测出的是B沿着其轴线的分量。所以必须将探头端部在原地转动，使测量读数（绝对值）达到最大，才是此位置的B

值。

探头

前端内装有线性霍尔集成电路块H（内含霍尔元件和线性放大器，型号3503），为矩形小片，3根引脚。4.研究通电直螺线管内的磁场

（课本89页图3.3-14）（1）短线圈纵轴线上磁感应强度的分布线圈直径2.5cm，长7cm，匝数1200。电流I=0.40A

恒定。（2）长线圈纵轴线上磁感应强度的分布线圈直径2.5cm，长16cm，匝数3000。电流I=0.20A

恒定。

与线圈几何形状的关系除去靠近端口部分，中间很大区域是匀强的。理论公式：对于无限长的螺线管μ0

真空的磁导率n单位长度内的匝数

与通入电流强度I的关系在前述400匝线圈内B最大的位置探测，结果：B与I成正比。

与线圈单位长度匝数n的关系在前述400匝线圈外加层再绕400匝，不改变线圈长度。I=0.30A恒定。结果：B与n成正比。匝数400800B/mT1.653.37

自感一、教学目的

1.全面认识自感现象，理解产生自感现象的原因。

2.观察另一种典型的暂态过程，知道线圈中的电流不能突变。二、实验设计（传统方法）

优点：器材简单；断电自感实验能明显地显示线圈的磁场具有能量，说明自感线圈是一种储能元件。

缺点：小灯泡不能确切反映电流变化的过程；不能显示自感电动势的方向；通电和断电自感实验，往往需要用两个不同参数的大铁芯线圈；对断电自感现象中会产生灯泡突然闪亮现象的条件和原因不易讲清楚。通电自感现象断电自感现象三、有关自感的一些理论

电感线圈L在通电和断电的过程中都是一个RL电路。即使不外接电阻，也存在线圈自身的电阻r。

由于产生自感电动势，通电时线圈中电流的增长和断电时电流的衰减都需要一定的时间，是一个暂态过程。也就是说，电感线圈中的电流i不可能“突变”。当R恒定，空心线