“探究影響通電導線受力的因素”演示實驗的分析與定量化改進

摘 要：普通高中課程標準實驗教科書·物理（選修3-1）（人教版）“磁感應強度”一節(jié)中，通過演示實驗研究了通電導線所受的安培力大小與哪些因素有關，以此來尋找描述磁場強弱的物理量——磁感應強度。

關鍵詞：物理實驗；通電導線；反思

做好這個實驗是本節(jié)教學的重點，它不但培養(yǎng)了學生的實驗觀察能力和邏輯推理能力，而且再次熟悉了控制變量法，使學生在與用電場強度描述電場的對比下深入了解了磁感應強度的意義。本演示實驗在教學中雖然能夠說明部分問題，但是較為粗略，而且實驗操作較為困難，實驗效果也難以達到預期。作為本節(jié)的重點內(nèi)容，此處應由學生通過獨立實驗進行探究，以進行課堂教學突破。

一、對教材實驗的分析

圖1為教材中“探究影響通電導線受力的因素”的實驗裝置。三塊相同的蹄形磁鐵并排放置，磁極間的磁場認為是勻強磁場，將一根通電導線水平懸掛在磁極間。當導線中通有電流時，導線將在磁場的作用下擺起一定角度，用擺起角度的大小來比較導線受力的大小。通過控制變量法來確定通電導線受力的影響因素。先保持導線通電部分長度不變，通過外部電路改變電流的大小；然后保持電流不變，改變導線接入部分的長度，觀察這兩個因素對導線受力的影響。

在實際教學中，本演示實驗在操作和實驗效果上存在如下問題：

（1）三塊磁鐵并列放置到圖1所示位置的難度較大。磁鐵會因為相互排斥而發(fā)生偏轉（特別是相互靠近的兩個磁極間），導致產(chǎn)生的磁場不能看成勻強磁場。

（2）該實驗為教師演示實驗。因此學生對實驗操作過程和對實驗現(xiàn)象的觀察都存在一定難度。不利于學生由感性觀察到理性總結的認識。

（3）在所控制的影響因素中，無法達成對磁場強度（B）、通電導線受力（F）和導線中電流強度（I）三個因素的逐一精確控制，因此在實驗的完成性和系統(tǒng)性方面有所欠缺，這也是本實驗的缺憾之一。

（4）實驗中通過導線擺起的角度來表示導線受力的大小，這種方式只是粗略的定性分析，無法通過實驗得出數(shù)據(jù)進行精確地定量分析。只通過對實驗現(xiàn)象的定性分析就得到公式F=BIL略顯牽強，雖然教材中有“分析了很多實驗事實”的鋪墊，但是對于學生而言，記憶的因素大于理解的因素，講授的因素大于發(fā)現(xiàn)的因素，因此，這會成為教學中的“短板”，也會成為學生理解上的“真空”。

二、新實驗裝置介紹

針對現(xiàn)有實驗裝置中存在的問題和不足之處，筆者對該演示實驗進行了改進，設計制作了“探究影響安培力因素實驗儀”。在教學中筆者使用改進后的實驗裝置，不但學生課堂參與的積極性得到大幅提高，而且實驗效果非常顯著。

圖2為筆者設計的“探究影響通電導線受力的因素”的實驗裝置結構圖，圖3為實物圖。該裝置主要由支架和底座、條形強磁鐵、U形金屬線、帶刻度玻璃管、輕質彈簧和細絲線構成。各構成部分介紹如下：

支架和底座由塑料、木材或者不銹鋼等非磁性物質制作。底座為正方形，支架為長方體，固定在底座后部。在支架頂部處安裝帶鐵夾的固定架以固定玻璃管，距支架頂部1/3處固定一鐵質U型金屬板，可以使強磁鐵吸附其上。兩側各安裝有紅黑接線柱1個，接線柱用“十字形”的梅花螺絲固定，并將螺絲的凹槽作為U形金屬線的旋轉凹槽，在一側的接線柱和螺絲之間設置彈簧片制作的觸控開關。U形金屬線用銅絲等非鐵磁性物質制作，直徑1 mm，長度由強條形磁鐵確定（筆者使用的是長為20 mm銅絲）。強條形磁鐵可以上網(wǎng)購買，玻璃管上的刻度可以用透明刻度貼標識，輕質彈簧和細絲線等可以在實驗室找到。

三、儀器原理及使用

用U型金屬框代替通電導線，當其通電后，在強磁鐵周圍的勻強磁場（U型金屬框距離條形磁鐵較近，故可視為勻強磁場）中由于受到安培力作用而發(fā)生偏轉，同時，通過細絲線拉動輕質彈簧，以彈簧的形變量（通過玻璃管上的刻度讀出）來表示安培力的大小。并且可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器和干電池來改變電流的大小和方向，通過改變磁鐵數(shù)量來改變磁場的強弱和方向以及導線的有效長度。其操作步驟如圖4：

（1）按照圖4所示電路圖連接電路（開關斷開，變阻器調(diào)節(jié)到阻值最大位置）。

（2）調(diào)節(jié)玻璃管的位置，使金屬框同磁鐵上的標記線在同一水平面內(nèi)，記錄此時彈簧指針的初始位置x0。

（3）閉合觸控開關，調(diào)節(jié)玻璃管的位置，使金屬框同磁鐵上的標記線在同一水平面內(nèi)，記錄此時的電流值I1和彈簧指針位置x1。

（4）從大到小改變滑動變阻器阻值，重復（3）中步驟，記錄多組電流值和指針位置。

（5）斷開開關，將滑動變阻器阻值調(diào)至最大。

（6）取下橫排的兩塊磁鐵（剩余2塊），重復步驟（3），記錄多組電流值和指針位置。

（7）重復步驟（5），取下縱排的兩塊磁鐵（剩余2塊），重復步驟（3），記錄多組電流值和指針位置。

（8）進行實驗梳理的處理與分析。

（9）完成實驗，整理實驗器材。

四、實驗裝置的優(yōu)點

1.將定性實驗轉換為定量實驗

教材中的實驗為定性或者半定量實驗。導線中通過電流，使得導線受到磁場力的作用而擺起一定角度，通過擺起角度的大小比較其受力大小，從而說明在一定條件下，電流與磁場力成正比，這個結論顯得有些“倉促”，雖然電流越大，擺起的角度越大，受力也就越大，這只能說明他們之間的正相關關系，而不能定量地說明電流的大小與磁場力成正比，況且“擺起的角度”作為“中介量”也對學生的理解產(chǎn)生了干擾。改進后的實驗直接利用彈簧的形變量來表示力的大小，類比于彈簧測力計，在學生的接受和理解上更有優(yōu)勢（胡克定律是學生非常熟悉的物理規(guī)律），而且通過記錄電流表讀數(shù)與彈簧形變量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)來分析一定條件下，電流大小與磁場力的正比關系，一目了然。

2.實驗設計簡單巧妙

首先，本實驗的原理簡單，教學實踐證明，該實驗并不比教材中的實驗復雜，學生在初次觀察儀器后均能了解其實驗原理和操作過程，因此課堂實驗的效果顯著。其次，實驗器材均選用日常生活和一般實驗室中常見的物品，制作簡便。若將其改為“實驗盒”，則使用更加方便。最后，設計中巧妙地將安培力的大小和方向同彈簧的形變量結合起來，利用學生已有的、較為熟悉的知識——胡克定律，使得學生在理解上更加輕松，雖然有“中介量”——彈簧的形變量，但是并不會對學生理解電流與力的關系造成干擾。

3.數(shù)據(jù)處理方式多樣直觀

本實驗通過控制變量以表格的形式記錄多項數(shù)據(jù)：（1）磁場強弱和導線有效長度不變，改變電流大??；（2）磁場強度不變，導線有效長度減半，改變電流大??；（3）磁場強度減半，導線有效長度不變，改變電流大小。通過表格內(nèi)和表格間的數(shù)據(jù)對比，學生很快就能發(fā)現(xiàn)其蘊含的規(guī)律。更值得關注的是用I-x圖象（電流—形變量圖象）進行數(shù)據(jù)處理。將三個表格中的數(shù)據(jù)在同一個坐標系中通過描點的形式作出其I-x圖象，三個圖象均為傾斜的直線，（1）（2）兩條直線重合（斜率相同），（3）的斜率與（1）（2）兩條不同，這樣就自然而然地引出問題“為什么（1）（2）兩條直線相重合？”“為什么（3）和另外兩條的斜率不同？”學生通過觀察和思考，很容易就發(fā)現(xiàn)了這與磁場的強弱有關，從而引入磁感應強度，并且歸納出表示磁感應強度的表達式。因此對本實驗的數(shù)據(jù)利用圖象處理這一大亮點，不僅鍛煉了學生觀察能力和數(shù)據(jù)處理能力，還培養(yǎng)了學生的利用圖像處理實驗意識（有“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”實驗中利用U-I圖像處理數(shù)據(jù)的知識基礎）。本實驗的測量結果比較精確，也是優(yōu)勢之一。

4.本實驗改變本節(jié)內(nèi)容的學習方式

教材中實驗是以教師演示的方式呈現(xiàn)，本節(jié)內(nèi)容在傳統(tǒng)教學中，往往是“教師做，學生看”，學生處于被動地位，對于電磁學中非常重要的物理量磁感應強度的探究，沒有發(fā)揮學生的能動性去積極參與課堂，未免不是一件憾事。本實驗的設計，把“演示實驗”轉換為“分組實驗”，改變了學生的學習方式——由“要我學”變?yōu)椤拔乙獙W”；由“被動”變?yōu)椤爸鲃印?；由“聽和記”變?yōu)椤白龊退肌?，由“知”變?yōu)椤耙伞?。提升了學生參與課堂的積極性，讓學生帶著問題進行實驗探究，在探究的過程中再發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，這才能使學生獲得長足的發(fā)展。正如明代思想家、教育家陳獻章所言“學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進。疑者，覺悟之機也。一番覺悟，一番長進”。

五、反思

實驗是學生獲得知識的重要手段，也是物理學習的重要方法，它不僅能為概念的形成、規(guī)律的認識提供必要的感性材料，還能夠通過實驗的新穎和現(xiàn)象的奇妙激發(fā)學生的求知欲，引起學生探索的興趣。實驗教學的成功與否直接影響課堂的效果。影響課堂實驗效果的因素很多，但首要的是能夠通過簡單的實驗達到最優(yōu)的實驗效果。換而言之，既要求實驗要科學、可行、快捷、高效，有明確的實驗目標和原理，又要內(nèi)涵豐富，能夠充分發(fā)揮學生思維的深度和廣度。因此，作為物理教師，不僅要對教材中的實驗進行研究分析，還要能夠依據(jù)其中存在的問題和學生的需求進行實驗改進與創(chuàng)新。這種經(jīng)過改進的實驗裝置，不僅能讓學生在對比中親眼目睹或自身感受到物理現(xiàn)象的效果，對學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)也有深遠的影響。這就需要教師平時多動腦筋，多探索。

參考文獻：

陳燕.巧設實驗情況進行有效教學：通電導線在磁場中受到的力.物理教學探討，2012（2）.

作者簡介：王聿奎，男，出生于1980年4月，學歷：碩士研究生，就職于江蘇省海州高級中學，研究方向：物理。