基于真实情境的霍尔元件实验

摘要

霍尔元件不仅是带电粒子在电磁场中运动的典型模型，而且在实际生活中的应用也十分广泛，如用于电动车控速车把、自行车轮速传感器等产品中。霍尔元件的工作原理较为抽象且复杂，教师在传统教学中一般是引导学生进行理论推导，但学生在理解原理时存在较大困难，无法分析其在实际应用中的原理。采用基于真实情境的霍尔元件展开实验教学，可以有效突破这一教学难点。以教学视角观之，其教学从探究电动车控速车把的工作原理出发，以真实情境导入实验教学，学生不仅能够理解霍尔元件的工作原理，还能够学以致用，据此解释生活中霍尔元件的应用问题。

Graphical abstract

关键词

真实情境 / 霍尔元件 / 带电粒子 / 电磁场 / 核心素养

高中物理实验教学，是学生巩固理论知识、提升思维能力和培养创新精神的有效途径。在物理实验教学中，如果缺少真实的情境引入，仅有实验方法的介绍，往往会导致实验学习效果大打折扣。在高中物理实验教学中，教师应注重从真实情境出发，将理论与实际相结合。从教学视角出发，基于真实情境的物理实验的基本程序是：创设情境→提出问题→寻找证据→解释评估^［1］。笔者以霍尔元件实验教学为例，探究基于真实情境的霍尔元件实验教学策略。

1 基于真实情境的物理实验教学路径

物理是一门以实验为基础的学科，实验教学在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有不可替代的作用。创设真实情境进行教学，对于培养学生的物理学科核心素养具有关键作用。

在物理实验教学中创设真实情境，可以让学生在观察和体验后有所发现、有所联想，萌发出科学问题，进而提升学生的物理学科核心素养。基于真实情境的物理实验教学一般流程为：首先，教师通过情境的设置和问题的选择，激发学生的求知欲；然后，引导学生对情境提出疑问，并对问题进行筛选，使得所研究的问题在学生能力发展区内；而后，以问题为驱动进行实验探究；最后，得出实验结论并加以应用推广。

为更好地说明问题，笔者将物理实验教学流程加以归纳，如图1所示。在这一过程中，教师需要发挥主导作用，根据学生已有知识、能力设置合理的情境和问题，借此引导学生积极思考。在能力发展区内，教师组织学生进行主动探究，有利于学生在“踮踮脚就能够着”的情境中发展学科核心素养^［2］。

2 基于真实情境的霍尔元件实验教学实践与评析

霍尔元件内容选自人教版高中物理选择性必修第二册第五章第二节：常见传感器的工作原理及应用。在该节内容的拓展学习中，介绍了霍尔元件的工作原理及其在生产生活中的应用。霍尔元件既是一种重要的传感器元件，又是带电粒子在电磁场中运动的典型模型，同时其在实际生活中有着广泛的应用。学习霍尔元件知识，不仅能够巩固学过的带电粒子在电磁场中运动的相关知识，而且能够加强物理知识与实际生活的联系，提升学生的社会责任感。学生在学习霍尔元件工作原理时，需要分析带电粒子在电磁场中的受力情况，根据受力情况推导霍尔电压，但这一推导过程十分复杂。由于大部分学校没有配备霍尔元件的演示实验器材，学生在学习霍尔元件时，只能在教师的指导下进行理论推导，再利用推导出的结论对可能发生的物理现象进行分析。其结果是机械的记忆，不能提升学生对霍尔元件工作原理的理解；复杂的公式推导，并不能激发学生的学习兴趣和求知欲；仅靠理论学习，不做实验，会使霍尔元件内容的学习效果大打折扣。为此，笔者从网上购买霍尔元件，基于元件自主设计实验方案并组装实验器材，借此探究影响霍尔电压的因素，实现了对霍尔元件教学内容的补充。以下是基于真实情境的霍尔元件实验教学过程。

2.1 创设情境，设悬引思

【创设真实情境】当学生骑电动车时，转动电动车车把，可以控制电动车速度，原因是什么？

【提出问题】转动电动车车把，如何实现控制电动车速度？

【学生活动1】小组讨论，分析转动车把改变车速的原因。

【学生活动2】拆解电动车车把，观察电动车车把的内部结构，如图2~图4所示。

【学生活动3】对结构中各部分器材的作用进行分析，提出猜想。

【评析】创设真实的物理情境，引发学生思考：为什么转动车把能改变车速。在真实情境下解决物理问题，可以强化学生的体验和感悟。学生在未打开车把前，提出自己的猜想，当拆解后发现了与预期不同的结果，自然突出了“真实”与“出乎意料”的特点。在明确了螺丝、弹簧、导线的作用后，对强磁铁和体积非常小的霍尔元件的作用提出猜想，带着问题进行探究学习，能够培养学生发现问题、分析问题、提出观点的逻辑思维能力^［3］。

2.2 问题驱动，实验探究

【教师演示实验】如图5所示，将电动车车把与电源相连接，输出电流至连接的发光二极管，旋转车把，发现二极管由暗变亮；去掉一节电池，再次旋转车把到最底端位置时，发现二极管亮度较之前明显变暗。

【学生分析】观察内部结构可知，当旋转车把时，改变了磁铁与霍尔元件之间的距离，使霍尔元件周围的磁场强弱发生改变，导致霍尔电压随之改变，输出电流亦随之改变，发光二极管亮度发生变化；去掉一节电池后，接入霍尔元件的电流减小，影响了霍尔电压的大小，发光二极管的亮度也随之发生变化。

【教师提问】在实验中，霍尔元件产生霍尔电压，请大家分析影响霍尔电压大小的因素有哪些？

【学生回答】根据刚才的实验操作可以分析得出，霍尔电压与霍尔元件周围磁场的强弱，与霍尔元件的接入电流大小以及霍尔元件的材料、形状有关。

【教师提问】如何验证猜想？能否设计出实验方案？

【学生学习活动】在霍尔元件材料和形状一定的情况下，为探究霍尔电压与接入电流大小和周围磁场强弱的关系，可以采用控制变量法。教师组织学生进行分组实验探究：先将电源、开关、滑动变阻器与霍尔元件的两个接线柱连接，构成一个闭合回路；再将霍尔元件另外两个接线柱与小量程电流表连接，用于检测输出电流，以便确定霍尔电压的变化情况，如图6所示。

【探究活动一】保持接入电流大小不变，将磁铁靠近或远离霍尔元件，观察小量程电流表示数变化，分析输出电流的大小和霍尔电压的变化情况。

【实验结论】将磁铁靠近（远离）霍尔元件，即可增大（减小）霍尔元件周围的磁场，此时观察到灵敏电流计示数变大（变小）。说明：当霍尔元件周围磁场变强时，霍尔电压增大；当霍尔元件周围磁场变弱时，霍尔电压减小。

【探究活动二】保持接入电流大小不变，将磁铁N极、S极分别靠近霍尔元件，观察电流表指针偏转方向。

【实验结论】N极和S极分别靠近霍尔元件，电流表指针偏转方向不同，说明产生的霍尔电压相反。

【探究活动三】保持磁场强弱不变，移动滑动变阻器上的滑片，改变霍尔元件的输入电流，观察输出端连接的电流表示数变化情况。

【实验结论】把霍尔元件置于磁场中，当磁场强度不变时，霍尔元件接入电流增大，霍尔电压随之增大。

【评析】学生带着问题进行实验，在实验过程中进行合作交流，运用物理知识对实验现象作出科学分析，从而培养了学生的科学态度与科学精神，使其体会到科学研究中相互合作的必要性。通过控制变量法，学生定性研究了影响霍尔电压大小的因素，加深了对霍尔元件原理的理解与认识。

2.3 理论推导，得出结论

【教师活动】展示学生的实验成果。为提高学生对霍尔元件的进一步理解，引导其进行定量研究，即建构霍尔元件模型。当载流子为电子时，模型如图7所示。

【理论推导】霍尔元件接入电流后，将其置于磁场中。霍尔元件长为l，宽为b，厚为d，磁感应强度为B，恒定电流为I_S，电子电荷量为e，单位体积自由电子数为n，带电粒子在磁场中运动受到洛伦兹力作用，发生偏转，上下极板电荷积累后，形成电势差，此时带电粒子又受到电场力作用。待稳定后，满足关系：evB=e{E}_H，vB=E_H。由于I_S=nebdv，代入上述公式可得E_H=\frac{I_{S}B}{nebd}。其中，霍尔电压U_H=b{E}_H=\frac{I_{S}B}{ned}，且固体物理理论已证明金属的霍尔系数为R_H=\frac{\mathrm{1}}{ne}，令K_H=\frac{R_H}{d}，可得：U_H=K_H{I}_{S}B。通过理论推导，学生很快掌握了霍尔电压产生的原因。

2.4 实际应用推广

霍尔元件在生产生活中的应用例子很多，比如车辆行驶的速度是通过轮速传感器测得，而霍尔元件就是轮速传感器的重要组成部分，当强磁铁经过霍尔元件时，使其产生电压脉冲，即可计算出车速。其结构如图8所示。

【模拟实验】转盘上固定一块小磁铁，再将霍尔元件连接电源，而其输出端连接发光二极管，转动转盘。其装置实物如图9所示。

【实验现象】每次磁铁靠近霍尔元件时，发光二极管就会闪亮一次。

【实验结论】只要测量二极管的脉冲电流频率，就可以得到转盘的转速。

【评析】凭借建构模型和推理论证，可以得出实验现象背后的原因，从而提高学生运用所学知识解决实际问题的能力。

3 结语

在该节实验课中，学生在教师的引导下利用电动车控速车把实验创设颇具趣味性的情境，进而提出有针对性的问题：影响霍尔电压的因素有哪些？学生根据问题设计实验方案，经历实验探究过程，作出定性分析；然后，在教师的引导下进行理论推导；最后，将所学知识进行迁移应用。

大量的教学实践充分证明，从发现问题到解决问题，最后能够做到知识的迁移和应用，有效提升了学生的模型建构能力、科学探究能力和质疑创新能力，培养了学生严谨认真、实事求是的科学态度与应用物理知识服务社会的社会责任感。

参考文献

[1] 王贤勇，喻斌.POE和PBL导向下“弹性碰撞”的深度学习［J］.物理教师，2022，43（10）：8-10.

[2] 安红霞.PBL模式下高中物理实验教学研究［D］.湘潭：湖南科技大学，2021.

[3] 蒋邦勇，肖丁山，李杨.指向深度学习的初中物理实验教学策略探索：以“物质的密度”为例［J］.物理教学探讨，2022，40（10）：51-53.

基金资助

淮南市2024年度教育科学研究项目“基于项目式学习的高中物理实验教学设计与实践研究”(HNJK2024103)