磁的电效应教学研究——物理学史与科学探究之二，本文主要内容关键词为：教学研究论文,之二论文,物理学论文,效应论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、新教材中的探究
“磁的电效应”是人民教育出版社的《义务教育课程标准实验教科书物理》中的一个重要的探究内容。题目是：“什么情况下磁可以生电”。教材中首先提出问题：“什么情况下磁场内导线中能够产生电流？”接着指导学生进行各种不同的尝试：“让导线在磁场中静止，换用不同场强和磁体；让导线在磁场中静止，但不用单根导线，而用匝数很多的线圈；使导线在磁场中沿不同方向运动……”按照这样的指导，经过一系列的实验之后，学生很快就可以分析和论证，尝试提出结论，得到在什么情况下磁可以生电的结果了，最后是评估和交流。经过这样一个简短的探究，学生很快就得到了教材（或教师）预期的结果：磁能生电的几个条件。
二、法拉第发现磁的电效应的历史过程
1821年，《英国哲学年鉴》的编辑邀请法拉第撰写一篇有关奥斯特发现电流磁效应一年来电磁学的发展状况的综合评述。法拉第在做了几个月的调研之后，写出了《电磁学发展历史概况》一文，就是这样一次偶然的机会，成为了法拉第在电学研究方面的起点。在此之前的1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，揭开了电磁统一问题研究的序幕。法拉第在通过对电磁学历史概况进行考察之后，敏锐地意识到这一领域是科学的前沿，决心另辟新径开创新局面。他首先想到磁生电的问题。1822年，他在日记中写到：“磁能生电吗？”
这个问题的提出，使得法拉第的科学研究有了一个明确的目标，但他寻找这个现象也经过了漫长的探索和多次的失败。早在1822年他写下上面那句话的同时，就一并记录下了几个不成功的实验尝试。在接下来的近十年的时间中，法拉第在这条道路上经历的失败就更多了，从他的日记中我们可以看到明确有记载的就有三次（1824年12月28日，1825年11月28日，1828年4月22日），而每一次失败的记录都包括了一系列的实验尝试。例如1825年11月28日他做了以下几个实验：
实验1：2根长4m的导线平行放置，用两张厚纸将它们隔开，先把其中一根导线接到电池的两端通电，再把另一根与电流计相连，电流计的指针没有发生任何转动。
实验2：将空心螺线管接到电池的两极，把1根直导线引进螺线管，直导线两端与电流计相连，没有任何效应发生。
实验3：将实验2中的直导线与电池两极相连，螺线管与电流计连接，仍无任何效应。
实验4：把2根导线互相缠绕着，先把其中一根的两头接到电池上通电，把另一根的两头接到电流计上，没有观察到任何现象。
所谓“失败乃成功之母”，无数次的失败带给法拉第的是无数次的冷静思考和深刻反思。在通过对这些失败的分析和总结之后，终于在1831年8月29日，法拉第第一次观察到了磁产生电的现象。
1831年8月29日，法拉第把1根直径为八分之七英寸的软铁圆棒焊成1个外径为六英寸的铁圈，在铁圈的一边绕上三个螺线圈，每个螺线圈所用的铜线长约二十四英尺，直径为二十分之一英寸，螺线圈之间以及它们和铁圈之间是绝缘的。三个螺线圈依次套叠在铁圈上，占据了约九英寸的地方；它们之间既可分开，也能合在一起使用，它们在图1中用A表示。再把总长约六十英尺的同一种铜线分成两段，在铁圈的另一侧照样绕好，这就形成了和螺线管走向相同的螺线管B，它们的两头相距各有半英寸左右。用铜线把螺线管B和电流计连接起来，电流计离铁圈三英尺远，把A中的三个螺线圈首尾相接，形成一个长螺线管，其两端和一个有十四对四英寸见方极板的电池组线相连。当接通电源时，立即见到了电流计的偏转。但电源接通之后，效应又消失了，指针立即摆回到原位置。切断电源时，指针再一次大幅度偏转，但偏转方向与开始相反。对于这个偶然的发现，法拉第意识到这就是他寻找了近十年的磁的电效应。但此时他还没有明确领悟到这一现象的暂态性特点。
在这个实验之后，法拉第又做了一系列的实验，并得到了同样的效果。例如，不用线圈B，把电流计和A的一个螺线圈相连，将另外两个螺线圈合成一个螺线管，让电池的电流通过这个螺线管，也产生了类似的、但更强的效应。经过这样一系列实验，法拉第于1831年11月24日向皇家学会提交了研究报告。在报告中，他将这一现象定名为“电磁感应”，并将产生电流的条件概括为五类：变化着的电场；变化着的磁场；运动着的稳定电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。
三、史料分析
从上述的史料中，我们很明显地看出历史上法拉第的磁的电效应发现过程与现在课堂上的科学探究过程有很大的差异。本文的目的，不仅仅是在于列出这个差异，更重要的是希望从历史过程中挖掘一下法拉第本人在其科学研究过程中所表现出来的种种优良品质和方法，从而有助于中学物理课堂探究教学的充实和升华。
第一，法拉第的磁的电效应的探寻过程是一个漫长并充满了失败的过程，这个过程不仅充分体现了科学探究过程的曲折，同时也加深了我们对科学探究中出现的失败的价值认识。法拉第终于成功了，如果我们把他1831年成功的实验与他1825年失败的实验进行一下比较，我们会看到这些实验有很多相似的地方。那么为什么以往的实验都失败了呢？最主要的原因是，法拉第早期对于电磁感应现象的暂态特性没有思想基础，而到了1831年时，法拉第对于暂态现象已经有了很深刻的理解和浓厚的兴趣，因为这一年他进行的多项研究课题都涉及暂态现象，而且都需要把不明显的弱效应变强。例如，极光对指南针影响的研究，观察随着极光的增加，指南针指向的变化；关于声音振动图形的研究，他把各种各样的液体涂到振动的金属盘上，来确定不断变化的振动怎样影响液体的运动等。这些都使法拉第对变化瞬间出现的情况更加敏感。电磁感应现象与静电感应现象相比，它的最大特点就是过程的暂态性，只有变化的电流，才能在另一个闭合回路中感应出电流。正是最初没有能够把握住这一点，法拉第才经历了无数的失败，也正是后来抓住了这一点，法拉第才获得了成功。很显然，从法拉第的成功过程我们可以清楚地看出，科学成就的取得更大程度上是依赖于科学家本人的知识积累和不懈努力，而绝不是什么天才的神话。
第二，坚持几十年如一日，从不间断地认真做好每一天的工作日记，这是法拉第所具有的一个很优秀的研究作风。正是由于这些日记的存在，才使得我们今天能够有机会对一个科学发现的整个历史过程有一个全面而清晰的了解。同时，也使我们有机会能够直接从第一手资料中去体会法拉第这位科学伟人的科学品质和科学方法。与此同时，这种优秀的研究作风，还体现了法拉第在科学研究中所具有的踏实勤恳的科学态度和科学精神。因此，引入这样的一段史料对于熏陶学生的科学品质具有很重要的价值，同时也是对课堂科学探究意义的进一步丰满和升华。此外，这样的研究作风也是我们的学生可以学习，并且能够有条件身体力行的。
第三，确立了把“磁能否生电”的问题作为研究目标之后，坚持工作了近10年，经历无数的失败，但法拉第心中却始终拥有着一个执着和坚定的信念。这种对信念的执着和坚定，是法拉第科学品质又一个重要方面。我们知道，科学的研究有的时候是很枯燥的，往往在很长的时间内，我们付出之后得到的却是一个接一个的失败。是坚持还是放弃？对于这个问题的决定将充分体现科学研究者的科学品质和科学勇气。在今天的科学探究活动中，我们应该有意识地培养我们的学生这方面的素质，以便克服当今普遍存在于科学研究活动中的浮躁心理，从而能够在科学研究领域真正地做一些工作。因此，这样一段史料的补充，将使学生能够有机会从前辈大师的身上体会到这种崇高的科学品质。
当然，作为科学大师的法拉第可以给我们的启示还很多，但就这段史料而言，我们就想提及上述那些。同时，真实的历史探究过程毕竟与课堂的探究过程是有很大的差异的，教师可以结合史料引导学生进行分析与比较，思考法拉第科学研究过程的价值，学习他的科学素质。这样，历史上的科学探究一定会有助于学生“意识到科学发展的艰辛和曲折”，有助于学生“学习科学家的科学研究方法，领悟科学的思想和精神”，在感受“科学探究的乐趣”的同时，发展对科学探索的兴趣。这样，学生会通过对历史的了解升华课堂科学探究的教育效果，增加对物理学的亲近和热爱。