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语言具有指向性,表述物理实验现象的物理语言应该指向物理知识的本质内涵.在观察断电自感实验现象中,图1所示的实验方式长期以来一直被中学物理教材引用,并沿用至今.新老教材都采用相同的电路图和相同的实验方法:先闭合开关,待灯泡A正常发光后断开开关.但在接下来观察实验现象的语言表述中,新教材的语言表述方法相对于老教材有了全新的改变.老教材是这样表述的:“这时可以看到,灯泡A要过一会儿才渐渐熄灭.”而新教材的表述是“注意观察开关断开时的灯泡亮度”.按照后一种语言表述,不少教师把实验的主要任务着眼于使开关断开后让灯泡在瞬间比原来更亮.很显然,从语言的指向性来看,老教材指向于关注灯泡“还亮了一会儿”的实验现象,而新教材所指向的似乎是关注灯泡“比原来更亮”,即“闪亮”一下.
那么,“还亮了一会儿”与“闪亮”之间有什么区别和联系呢?我们知道在借用灯泡的光信息来反映自感特性的传统实验过程中,几乎看不出灯泡逐渐熄灭的过程.为了创造更便利的观察效果,把光的逐渐熄灭拓展为光的闪亮.闪亮的事实包含了两个方面的物理现象,即比原来“更亮”以及确实“还亮了一会儿”. 后者是需要我们把握的自感本质,而前者只是被拓展的一种间接现象. 虽然“更亮”足以说明了自感的存在,但不出现“更亮”时(在本实验中可以做到),并不表明自感不存在,这是问题的关键.“更亮”现象与所要说明的自感本质间的因果联系并不是必然的、直接的.
然而,从观察的效果来说,“更亮”给学生的感官刺激是很强烈的,“还亮了一会儿”反而是以隐性形式呈现的.这就是本实验的不足之处,也是容易被学生曲解的原因所在.在这种背景下,如果教材语言和教师导语都指向于让学生关注断电过程中灯泡是否出现闪亮,则学生会很自然地理解为:断电自感现象发生时,灯一定是先闪亮一下而后熄灭;回路中的感应电流一定大于原有电流;通过线圈的电流会有一个瞬时增大的过程,超过了稳定时的电流值.
从物理原理出发去辨析清楚上述问题并不复杂. 解回路方程可以得出定量结果,并可作图,如图2所示.
图2中a、b两图分别是断电前后通过L支路和A支路的电流随时间变化的函数曲线图.
由图2可以直观地看出:(1)稳态时线圈L支路的电流IL是断电过程中iL变化的起点,也是最大值. 即暂态过程中的感应电流iL不会超过稳态时的电流值IL. 因此,认为“线圈在断电时,通过线圈的电流会瞬时增大”的理解是错误的. “回路中的感应电流一定大于原有(稳态)电流”之概念也是模糊的,因为回路中的原有电流分L支路和A支路,这两个支路的原有电流值可以有大小之分,而这两个支路的感应电流则都是由线圈磁能释放的同一电流. (2)从代表灯A支路的曲线(图2b)中可以看出,在断开开关的瞬间,灯A支路原来从左向右的电流-IA立即消失(以闭合回路反时针为参考时,IA为负值).线圈L支路则由于自感作用,其中的电流IL不会立即消失,而是在回路中逐渐减弱且能维持短暂的时间.由于断开开关后,灯A支路与线圈L支路形成闭合回路,所以这个时间内灯A中出现从右向左的反向电流流过,这个电流也是从最大值IL开始逐渐减弱至零. (3)灯泡能否出现“闪亮”决定于RL与RA的大小. 如果满足RL小于RA的条件,流过灯泡的感应电流最大值IL就会大于原来的稳态电流值IA(见图2b纵坐标),灯A就会出现比稳态时更亮的“闪亮”现象. 当IL小于等于IA时,则灯A是逐渐熄灭而不再“闪亮”,但仍能“亮一会儿”.
所以,“更亮”不是自感的本质.实验演示中创造“更亮”的条件只是为了让学生能够观察到“还会亮一会儿”的事实而拓展的手段. 引导观察断电实验的教材语言,不应指向于“更亮”的现象,而应该着眼于断电后“还能亮一会儿”才熄灭的客观存在.后者的原因解释,就是我们要解决的知识内涵,是进行断电自感现象的实验教学本意.教材中的物理语言应该明晰地指向物理本质内涵才好.而作为传授知识和操作实验的教师,也要在所表现的闪亮现象中帮助学生分辨和把握自感的本质特征.
那么,“还亮了一会儿”与“闪亮”之间有什么区别和联系呢?我们知道在借用灯泡的光信息来反映自感特性的传统实验过程中,几乎看不出灯泡逐渐熄灭的过程.为了创造更便利的观察效果,把光的逐渐熄灭拓展为光的闪亮.闪亮的事实包含了两个方面的物理现象,即比原来“更亮”以及确实“还亮了一会儿”. 后者是需要我们把握的自感本质,而前者只是被拓展的一种间接现象. 虽然“更亮”足以说明了自感的存在,但不出现“更亮”时(在本实验中可以做到),并不表明自感不存在,这是问题的关键.“更亮”现象与所要说明的自感本质间的因果联系并不是必然的、直接的.
然而,从观察的效果来说,“更亮”给学生的感官刺激是很强烈的,“还亮了一会儿”反而是以隐性形式呈现的.这就是本实验的不足之处,也是容易被学生曲解的原因所在.在这种背景下,如果教材语言和教师导语都指向于让学生关注断电过程中灯泡是否出现闪亮,则学生会很自然地理解为:断电自感现象发生时,灯一定是先闪亮一下而后熄灭;回路中的感应电流一定大于原有电流;通过线圈的电流会有一个瞬时增大的过程,超过了稳定时的电流值.
从物理原理出发去辨析清楚上述问题并不复杂. 解回路方程可以得出定量结果,并可作图,如图2所示.
图2中a、b两图分别是断电前后通过L支路和A支路的电流随时间变化的函数曲线图.
由图2可以直观地看出:(1)稳态时线圈L支路的电流IL是断电过程中iL变化的起点,也是最大值. 即暂态过程中的感应电流iL不会超过稳态时的电流值IL. 因此,认为“线圈在断电时,通过线圈的电流会瞬时增大”的理解是错误的. “回路中的感应电流一定大于原有(稳态)电流”之概念也是模糊的,因为回路中的原有电流分L支路和A支路,这两个支路的原有电流值可以有大小之分,而这两个支路的感应电流则都是由线圈磁能释放的同一电流. (2)从代表灯A支路的曲线(图2b)中可以看出,在断开开关的瞬间,灯A支路原来从左向右的电流-IA立即消失(以闭合回路反时针为参考时,IA为负值).线圈L支路则由于自感作用,其中的电流IL不会立即消失,而是在回路中逐渐减弱且能维持短暂的时间.由于断开开关后,灯A支路与线圈L支路形成闭合回路,所以这个时间内灯A中出现从右向左的反向电流流过,这个电流也是从最大值IL开始逐渐减弱至零. (3)灯泡能否出现“闪亮”决定于RL与RA的大小. 如果满足RL小于RA的条件,流过灯泡的感应电流最大值IL就会大于原来的稳态电流值IA(见图2b纵坐标),灯A就会出现比稳态时更亮的“闪亮”现象. 当IL小于等于IA时,则灯A是逐渐熄灭而不再“闪亮”,但仍能“亮一会儿”.
所以,“更亮”不是自感的本质.实验演示中创造“更亮”的条件只是为了让学生能够观察到“还会亮一会儿”的事实而拓展的手段. 引导观察断电实验的教材语言,不应指向于“更亮”的现象,而应该着眼于断电后“还能亮一会儿”才熄灭的客观存在.后者的原因解释,就是我们要解决的知识内涵,是进行断电自感现象的实验教学本意.教材中的物理语言应该明晰地指向物理本质内涵才好.而作为传授知识和操作实验的教师,也要在所表现的闪亮现象中帮助学生分辨和把握自感的本质特征.