“磁場”前四節(jié)教學順序調(diào)整及教學要點建議

王麗軍

（北京師范大學良鄉(xiāng)附屬中學 北京 1024 88 ）

1 教材介紹

人教版高中《物理·選修3－1》第三章“磁場”前四節(jié)的內(nèi)容是：磁現(xiàn)象和磁場；磁感應強度；幾種常見的磁場；通電導線在磁場中受到的力．教材編寫的內(nèi)容線索，如圖1．

圖1

這樣編寫的原因（選自選修3－1教師教學用書）：“以往教科書多把磁現(xiàn)象和幾種典型電流磁場的磁感線分布設為一節(jié)．在本書第三章磁場里把這些內(nèi)容分為兩節(jié)（第一節(jié)、第三節(jié)），而且還在這兩節(jié)之間安排一節(jié)磁感應強度．這是出于什么考慮呢？因為這部分內(nèi)容不僅信息量較多，而且蘊含有豐富的三維目標，特別是“情感、態(tài)度與價值觀”方面的教育素材．在課文中，我們用較大的篇幅介紹了電流磁效應的發(fā)現(xiàn)歷史．這是因為，電流磁效應的發(fā)現(xiàn)是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)．它不是一個一般的科技進步，而是一次科學革命．奧斯特的發(fā)現(xiàn)改變了人們的自然觀、世界觀和思維方式（從相互聯(lián)系中考察事物）．同時，這段科學史也是科學思維中傳統(tǒng)與創(chuàng)新交鋒和突破的生動事例，它同時還展示了創(chuàng)新思維的重要和時代局限性對創(chuàng)新的羈絆．因此，是科學史上不可多得的優(yōu)秀素材，在課文中應有恰當?shù)谋硎觯?/p>

另外，這樣安排也是為了讓教科書編排上有一些張馳相間的節(jié)奏感．第一節(jié)、第三節(jié)的內(nèi)容都比較容易，定性的闡釋比較多，也不涉及復雜的定量計算．將其連貫安排也不是不可以，但顯得太松，而后面幾節(jié)都是傳統(tǒng)上的核心內(nèi)容，難度較大，連續(xù)安排又會顯得太急促．現(xiàn)在這樣安排，似乎更合理一些，而且從系統(tǒng)性上也說得通，先介紹了磁場的一般現(xiàn)象，然后分別介紹描述磁場的兩種方式（磁感應強度和磁感線），再繼續(xù)研究磁場對電流和運動電荷的作用力及其廣泛的應用．應該說，邏輯線索還是比較清晰的．”

歸納起來教材這樣編排的原因：

（1）電流磁效應的發(fā)現(xiàn)是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，在教學中應予以應有的重視．

（2）磁現(xiàn)象、磁場和幾種常見的磁場比較容易，另外兩節(jié)比較難，教材這樣編排有張馳相間的節(jié)奏感．

（3）理論上邏輯線索比較清晰．

2 教學順序的調(diào)整建議

2．1 教學順序調(diào)整

第一節(jié)至第四節(jié)的順序分別為，“一、磁現(xiàn)象和磁場；二、幾種常見的磁場（地磁場）；三、通電導線在磁場中受到的力；四、磁感應強度 磁通量”．

將教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié)，第二節(jié)調(diào)到第四節(jié)，第四節(jié)調(diào)到第三節(jié)，并將原第一節(jié)地磁場的知識放到幾種常見的磁場中，將第三節(jié)磁通量與磁感應強度放在一節(jié)．

2．2 順序調(diào)整原因

（1）把教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié)

雖然學生在初中已較深入地學習了磁場的基本性質(zhì)及磁場的定性描述，但遺忘很嚴重．對于直導線和電流環(huán)磁場方向的判斷方法掌握得不牢固，對磁感線分布特點的認識也不夠精準，同時對于磁體內(nèi)部磁場的認識也不夠．此外，學生的空間感知能力比較弱，想象不出磁場的空間分布，也不容易畫出平面圖．所以這部分內(nèi)容并不簡單．

教材中勻強磁場的概念出現(xiàn)在第三節(jié)，但是在第二節(jié)“探究影響通電導線受力因素”的實驗中卻出現(xiàn)了勻強磁場的詞，而且實際上也是用勻強磁場來做的實驗，教學內(nèi)容邏輯有些混亂．教學順序調(diào)整后“勻強磁場”的概念如何定義呢？仍然可以用教材中的說法，“它是強弱、方向處處相同的磁場．距離很近的兩個平行的異名磁極之間的磁場，除邊緣部分外，可以認為是勻強磁場．勻強磁場的磁感線是一些間隔相同的平行直線．”

教材中在第三節(jié)講“磁感線”，但在第一節(jié)卻出現(xiàn)了“地磁場”的磁感線．

這樣安排仍然是重視三維課程目標的落實，前兩節(jié)內(nèi)容仍然安排兩課時．

（2）把引入“磁感應強度”概念放在安培力之后

在初中學生對安培力已有接觸，在第一節(jié)也做了實驗，但學生僅僅知道磁場對通電導線有力的作用，不清楚安培力產(chǎn)生的條件和大小特點，在引入磁感應強度時重點強調(diào)“導線應與磁場垂直放置”就沒有根據(jù)，只能硬給學生，或者說下節(jié)課再繼續(xù)研究．

按照原來的教材順序講，在“磁感應強度”一節(jié)中要做探究實驗：影響電流在磁場中受力的相關因素有哪些？在“安培力”一節(jié)也要做類似的實驗，只不過明確了安培力與電流、磁場夾角的關系．部分教學內(nèi)容是重復的．

從知識學習的角度看，對安培力的大小和方向的認識不僅是引入磁感應強度概念的基礎，也是聯(lián)系力學問題與電磁感應現(xiàn)象的紐帶，有著承上啟下的作用，用磁感應強度矢量描述磁場是本章重點．這兩部分順序調(diào)整從知識的邏輯關系上更合理．調(diào)整后的內(nèi)容線索如圖2．

圖2

3 調(diào)整后各節(jié)的教學要點

第一節(jié) 磁現(xiàn)象和磁場

由于學生在初中已較深入地學習了磁場的基本性質(zhì)及磁場的定性描述，所以，本部分內(nèi)容建議采用復習加閱讀的方式進行．

可在教材內(nèi)容基礎上補充一些與奧斯特實驗有關的歷史背景材料，幫助學生更好地理解該實驗的重大意義，體現(xiàn)學史教育的人文功能．

第二節(jié) 幾種常見的磁場

在做好實驗的基礎上，闡明磁感線的繪制方法，歸納特點．

在本章的學習中，營造學生的空間感是十分重要的．利用三維動畫使學生建立磁感線的立體圖景．

熟練掌握安培定則，繪制電流磁場的三視圖（側(cè)視圖、俯視圖、剖面圖）．

定義勻強磁場：磁場強弱和方向都不變的那部分磁場區(qū)域稱為勻強磁場，用磁感線表示，就是“磁感線平行且間距相等的磁場區(qū)域是勻強磁場”．由于所有磁場的磁感線都是閉合曲線，因此，真正的勻強磁場是不存在的，它只在一定的范圍內(nèi)可以近似看作勻強磁場．可以看作勻強磁場的區(qū)域包括兩個異名磁極間的區(qū)域、通電螺線管的內(nèi)部區(qū)域、兩個平行放置的電流同向線圈之間的區(qū)域．說明：蹄形磁鐵兩股之間的區(qū)域不是勻強磁場，但其靠近磁極的前區(qū)域常?？梢越谱鳛閯驈姶艌鰧Υ?/p>

知道分子電流假說的內(nèi)容，但更重要的是使學生認識到它的思想價值，感受物理學理論的和諧與統(tǒng)一．

第三節(jié) 通電導線在磁場中受到的力

做好以下有關實驗：

演示實驗1：通電的方形線圈在磁場中受力

實驗儀器：蹄形磁鐵，懸掛在鐵架臺上的矩形線圈，導線，電源，開關，滑動變阻器．

實驗目的：通過實驗使學生認識安培力，說明安培力的方向與電流方向和磁場方向有關．

結(jié)論：通電線圈在磁場中受力，使線圈偏離豎直位置．線圈加速的方向是合外力的方向，不一定是安培力方向．如何準確確定安培力的方向呢？還需要再研究安培力方向的特點．

演示實驗2：通電銅棒在磁場中受力

實驗儀器：強磁場，導體棒，由電容器放電提供電流．（如圖3所用儀器為原大峪中學教師自制）

圖3

（1）銅棒與磁場方向垂直放置，閉合開關，銅棒豎起向上跳起，俯視圖如圖4所示．

圖4

圖5

說明：安培力的方向豎直向上，并且和電流方向垂直，也和磁場方向垂直．

（2）銅棒與磁場方向不垂直放置（也不平行），閉合開關，銅棒仍然豎直向上跳起，俯視圖如圖5所示．

說明：安培力的方向仍然是豎直向上的．

結(jié)論：安培力和電流方向垂直，也和磁場方向垂直，即安培力垂直于電流和磁場決定的平面．

根據(jù)這個實驗結(jié)論可以得出演示實驗1中安培力的準確方向，并提出可以用左手記憶三者之間的關系．

演示實驗3：研究通電導線受到的安培力的大小與電流和磁場之間夾角的關系

實驗儀器及注意事項（如圖6所用儀器為原大峪中學教師自制）：將矩形線框懸掛在電子稱上，為排除線框重力的影響，可以先對電子稱調(diào)零．將線框與電源、滑動變阻器連接構(gòu)成回路，將線框的下邊放在強磁場中，強磁場安放在一個轉(zhuǎn)盤上，可以調(diào)整電流和磁場方向的夾角．

圖6

調(diào)節(jié)電流到2．5A左右，電流、線圈長度不變，依次改變電流和磁場之間的夾角分別為90 °，60 °，45 °，30 °和0°，學生觀察安培力的變化并記錄角度及與之對應的安培力的大?。?/p>

結(jié)論：1）當磁場方向與導體棒中電流方向垂直時受到的安培力最大，電流方向與磁感線之間的夾角減小時，安培力隨之減?。?/p>

2）當電流方向與磁感線方向平行時，安培力的大小為零．

演示實驗4：研究通電導線受到的安培力的大小與電流大小和導線長度的關系

實驗裝置如圖6，調(diào)整電流和磁場之間的夾角為90 °，逐漸增大導線中的電流大小，測量安培力的大?。恚淖兙€圈的大小，測量安培力的大小．

結(jié)論：安培力的大小與電流大小、導線長度成正比．

電流、磁場、安培力三者方向的空間關系對學生來講是個難點，可以用簡單的教具展示這個空間關系．在分析時將立體圖畫成平面圖，即畫成俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等，使較為抽象的物理問題簡單化．

第四節(jié) 磁感應強度 磁通量

通過上一節(jié)的實驗數(shù)據(jù)，分析得出在勻強磁場中，F(xiàn)∝I L，即是恒量；磁場改變時，比值也改變反映了通電導線所在處磁場的強弱．對于非勻強磁場，建立電流元I L的理想化模型，分析其受力特點，定義磁感應強度．

歸納、類比、深化對“引入探測物”和比值法定義物理量的認識．

由磁感應強度的定義推導安培力公式，并結(jié)合矢量分解的思想拓展到B與I不垂直的情況．

了解自然界磁場與人工磁場，體會“1特斯拉”究竟有多大．

初步了解電動機和磁電式電表的工作原理．

建立正確的磁通量概念，明確與磁感應強度的關系，會簡單計算在勻強磁場中磁通量的大?。?/p>