体现科学本质的物理创新实验

摘要

借助智能手机Phyphox软件，围绕科学本质3个维度，对“影响安培力因素的实验”进行科学再探究、方法再创新、实践再应用。创新设计的实验能精准测出具体磁场力的数值，并借助物理工坊Phyphox软件将数据呈现出来，直接拟合出直线。该创新实验具有实验原理简单、设计巧妙、现象明显、器材成本低、实验效果好等优点，较好地体现了科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质。

Graphical abstract

关键词

科学本质 / Phyphox / 安培力实验 / 磁场力

科学本质，是指科学的基本特征或属性，是人们对科学自身的思考，是关于科学基本特征的认识。科学本质包括3个维度的内容：科学知识的本质、科学探究的本质和科学事业的本质。在物理实验教学中，蕴含着丰富的科学本质内容，故而有必要以当代科学本质观指导物理实验的创新设计，加强对学生的科学教育，促使学生在经历科学探究的过程中感受科学体验，建立科学基本概念，形成科学基本态度^［1］。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》要求大力推进信息技术在教学过程中的应用，这体现了科学本质中的科学与技术的关系。最新的人教版高中物理必修1安排有“用手机测自由落体加速度”实验，即用手机下载Phyphox软件，测物理运动的加速度。人教版高中物理必修2有“关于洗手后甩手动作的物理原理研究”，这是一个真正运用智能手机辅助探究教学研究的案例，即运用智能手机Phyphox软件，对“影响磁场力因素的实验”进行科学再探究、方法再创新和实践再应用。教学实践表明，创新设计的实验能精准测出具体磁场力的数值，非但实验效果好，更把实验教学的创新教育理念具体化为可操作的教学模式^［2］。毫无疑问，这种创新模式能较好地体现科学本质，提升学生的科学探究水平，发展学生的物理学科核心素养。

1 问题的提出

【案例1】人教版高中物理必修第3册第110页^［3］，有一个探究影响通电导线受力的因素的演示实验，如图1所示。该实验存在以下问题：①通电后导线摆动，不容易平衡；②不能定量反应磁场力和长度、电流等因素之间的关系。从科学本质的视角看：既缺乏科学知识本质的重复性和建构性，又缺乏科学探究本质中证据的重要性，更缺乏科学事业本质中科学与技术的关系，因此需要选择优质的物理实验，借此探究磁场力的影响因素。

【案例2】柴宏良^［4］在探究影响磁场力因素的创新实验中，可以定量探究磁场力和长度、电流等因素之间的关系。

实验原理：通电导线框在磁场中受力后会失去平衡，对此，只要在配重盆中加入小铁钉，直到导线框再次平衡在标度尺的蓝线处，且数出配重盆中小铁钉的个数n，就能知道磁场力为n个单位力。

实验特点：利用杠杆原理，操作简单，通过配重小铁钉的个数，定量测得磁场力的倍数关系；每次实验通电导线的平衡点位置不变，保证了该处磁场强弱不变这一实验要求。

实验问题：没有测出磁场力具体的大小，从科学本质的视角看，该实验较好地体现了科学探究本质中的研究方法的多样性，体现了转变和等效的思想。但在测定安培力的大小环节，仍然缺乏条件性，且难以彰显直接证据的重要性。

2 基于Phyphox软件的创新自制实验

（1） 实验器材。

体重计、小型电子秤、HX711称重模块、ESP32芯片、恒流电源、塑料盒、强磁体、可改变匝数的线圈、自制蓝牙电流传感器、平板电脑（手机）。

（2） 实验原理和实验步骤。

实验原理：实验原理如图2所示。改装台秤——在台秤4个角装上压力应变片，线框与磁体及台秤无任何接触。线框通电后受到的安培力向上，由牛顿第三定律作用力与反作用力可知，台秤受到向下的安培力，此时压力应变片通过称重模块和物联网芯片ESP32的蓝牙功能，将采集到的压力数据发送给平板电脑（或手机），再通过物理工坊Phyphox软件将数据呈现出来。

实验步骤：打开平板电脑（或手机）的Phyphox软件，选择安培力实验，先后连接台秤和电流传感器；将永久性磁体放在台秤上，线圈放入永久性磁体，线圈与磁体及台秤无任何接触；先接入线圈匝数为200匝，即通电线圈的长度不变，再将此时的数据清零，则当电流为零时，台秤上面受到的压力也为零；增大电流，力也随之改变，力的数据与电流的数据都通过蓝牙功能发送给平板电脑（或手机），此时只需要在平板电脑（或手机）上记录数据即可；在匝数为200匝不变的情况下，改变电流大小，则压力显示器记录了6组实验数据（表1）。

（3） 实验数据处理。

方法一：平板电脑上直接拟合曲线。

实验发现，电流增大，安培力也随之增大。根据平板电脑上直接记录的数据发现这些点呈线性增大，即可直接在平板电脑上选择线性拟合，最终得出一条过原点的倾斜直线（图3），实验现象非常明显。

方法二：用Excel表格拟合直线。

先把实验数据填入Excel表格中，再插入图表，选择XY散点图，再选择趋势线，得到如图4所示的直线，即它是一条过原点的倾斜直线。

（4） 实验结论。

实验结果表明，在线圈匝数不变（长度不变）和线圈位置不变（磁场大小不变）的情况下，磁场力与电流的大小成正比。

（5） 实验器材优缺点分析。

该实验器材能精准测出具体磁场力的数值，并通过物理工坊Phyphox软件将数据呈现出来，进而直接拟合出直线。实验原理简单，设计巧妙，实验现象明显，实验器材成本低，巧妙结合新技术，实验效果好。但该实验存在的最大问题是放入磁场的是线圈，而不是教材中所说的一根导线，存在一定的争议。

（6） 科学本质分析。

该实验较好地体现了科学知识本质的条件性和可预测性，体现了科学探究本质的过程性和证据的重要性，体现了科学事业本质中的科学与技术的关系。其不足是，缺乏严谨的建构性，即在磁场中放入的是线圈而不是导线，是多匝线圈而不是一根导线。

3 基于Phyphox软件进阶式实验的再探究

（1） 实验原理。

对实验进行进阶式创新，把可改变匝数的线圈改成毫无争议的导体棒。该创新实验装置如图5所示。

改变弹簧之间的距离，即可改变导体棒的导电长度，且通电导体棒与台秤无任何接触。台秤的改装原理与图2的台秤原理相同。台秤受到向下的安培力可通过台秤自带的显示屏显示出来，既可人工记录，也可通过称重模块和物联网芯片ESP32的蓝牙功能，将压力应变片采集的压力数据发送至平板电脑（手机），最后通过物理工坊Phyphox软件将数据呈现出来^［5］。

（2） 实验亮点。

该实验装置具有3个显著优点：①磁场的检验结果是毫无争议的直线电流，而非方形线圈的一条边；②以牛顿第三定律为指针，把所要测量导线下边受到的安培力改为测量其反作用力，即使实验时多次改变导线长度，也不会碰到下方的磁铁而影响台秤示数；③可从B、I、L、θ等4个维度探究所有影响安培力的因素，在I、L、θ（θ=90^°）都相同的情况下，安培力受到磁场强弱的影响，从而揭示了磁感应强度的科学本质；④装置简捷，实验操作方便，并减少了实验误差。

（3） 科学本质分析。

该实验较好地体现了科学知识本质的建构性和可重复性，具备推广价值；体现了科学探究本质的过程性、创造性、证据的重要性，能够帮助学生掌握控制变量法的科学研究方法，即应用该创新实验进行分组实验，能有效培养学生的问题、证据、解释、交流等科学探究素养；体现了科学事业本质中的科学与技术的关系，数字技术的应用促进了实验创新，运用信息技术能更好地采集和处理实验数据，实现数据处理的可视化。

4 结语

信息技术对实验手段有很好的改进作用。运用Phyphox软件可以为物理实验提供技术支持，对物理实验进行创新和改进，能够较好地发展学生的创新思维。

在立足教材的基础上，应用Phyphox软件进阶探究磁场力的影响因素，是为了在分析教材实验基础上，同时实现实验效果的高质量和使用范围的扩大。该进阶实验设计思路清晰，实验效果好，能较好地提升物理实验的科学探究水平，发展学生的物理学科核心素养，加强其科学本质的教育，为创新其他物理实验提供借鉴。

参考文献

[1] 田春凤.物理科学本质教育的理论与实践［M］.北京：科学技术文献出版社，2020.

[2] 王群法.高中物理实验教学的创新与实践［J］.物理教学，2013，35（03）：33-35.

[3] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册［M］.北京：人民教育出版社，2019.

[4] 柴宏良.探究影响磁场力因素的创新实验［J］.物理教学，2012，34（07）：31.

[5] 周家盛，庄伟.基于Phyphox的进阶式实验探究教学：以“用单摆测量重力加速度”教学为例［J］.物理教学，2023，45（12）：16-18，67.