對(duì)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的一點(diǎn)想法

鐘云杰

摘 要： “磁感應(yīng)強(qiáng)度”是電磁學(xué)重要并且抽象的概念。教材在展開此概念的同時(shí)引用了類比法和比值定義法，但由于磁單極子是否存在影響了磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的細(xì)化，因此在概念的建立上未免欠妥。本文從建立磁感應(yīng)強(qiáng)度大小和方向兩個(gè)方面談?wù)剬?duì)教材編排的理解，并提出相關(guān)的改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞： 磁感應(yīng)強(qiáng)度 類比法 比值定義法

一、引言

“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這一節(jié)課是典型的概念課，這一概念非常抽象。怎樣上這一節(jié)課，讓學(xué)生理解并且掌握這個(gè)概念，需要我們仔細(xì)斟酌。

課本教材為我們提供了一個(gè)上課的思路，相關(guān)研究指出人教版是眾多教材中最容易讓學(xué)生理解的，然而眾口難調(diào)，持反對(duì)意見的也很多，所以我們?cè)趨⒖冀滩牡臅r(shí)候要注意思考，教材的思路是不是完全正確，說法是不是完全合理。下面筆者談?wù)剬?duì)教材編排的看法和理解，并提出一些建議。

二、對(duì)教材的理解和建議

1.類比法建立磁場(chǎng)強(qiáng)度方向

高中生的抽象邏輯思維仍然比較薄弱，學(xué)生對(duì)于抽象概念的理解需要找到類似的相通的概念，利用已經(jīng)了解的事物類比未知的事物也是物理學(xué)習(xí)的重要方法。課本的編排對(duì)于學(xué)生的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義。教材還指出研究電場(chǎng)是利用檢驗(yàn)電荷的受力情況確定電場(chǎng)強(qiáng)度的，研究磁場(chǎng)可以效仿，如圖1：

（ ）荷在（ ）場(chǎng)中會(huì)受到（ ）場(chǎng)力的作用，通過不同性質(zhì)的（ ）荷受到不同方向的（）場(chǎng)力可以反映場(chǎng)的特性。

這種類比法可以很好地定義磁場(chǎng)的方向。在電場(chǎng)中，電場(chǎng)的方向規(guī)定為與正電荷的受力方向相同，而在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向也就可以規(guī)定為與小磁針N極的受力方向相同。

2.類比法描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱曲折重重

類比法可以很好地解決磁場(chǎng)的方向，然而本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)都是磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，類比法是不是能繼續(xù)應(yīng)用呢？答案其實(shí)是肯定的，但是教材卻以“N極不能單獨(dú)存在”草草了事，其實(shí)在2014年，科學(xué)家在自旋冰材料中發(fā)現(xiàn)磁單極子的有力證據(jù)，這個(gè)消息對(duì)于教材的修改和編排提供了有力證據(jù)。

筆者認(rèn)為教材其實(shí)可以適當(dāng)加一小段物理學(xué)史，類比電荷在電場(chǎng)中受力的研究方法，人們利用磁荷在磁場(chǎng)中的受力情況研究磁場(chǎng)，然而當(dāng)時(shí)的人們未能在實(shí)驗(yàn)中找到磁單極子，所以磁荷研究的方法僅停留在理論層次，描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量也就不叫磁場(chǎng)強(qiáng)度。有了這樣一小段插曲，既能提高學(xué)生的質(zhì)疑精神，又滿足了學(xué)生的好奇心，從而對(duì)物理學(xué)習(xí)有一定的積極作用。

事實(shí)上，為了彌補(bǔ)這樣的缺憾，教材引入了電流元的概念，在類比法的大方向上，拋開了無法在中學(xué)物理研究的磁荷，用電流元代替。教材在編寫過程中有很好的鋪墊，在選修3-1第四章磁場(chǎng)第一節(jié)已經(jīng)提到：自奧斯特實(shí)驗(yàn)之后，安培等人又做了很多實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)，不僅通電導(dǎo)線對(duì)磁體有作用力，磁體對(duì)通電導(dǎo)線也有作用力。例如，把一段直導(dǎo)線懸掛在蹄形磁體兩極間，通以電流，導(dǎo)線就會(huì)移動(dòng)。

這樣就自然而然讓正在困惑的學(xué)生想到，沒有了磁荷，可以有通電導(dǎo)線，由于不能影響原磁場(chǎng)，應(yīng)該需要很小的一段電流，即電流元，采用這種理想化的模型，降低學(xué)生思維障礙的臺(tái)階，使學(xué)生仍然處于類比法的整體思路中，符合“最近發(fā)展區(qū)”的教育理論。這樣得出描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量叫磁感應(yīng)強(qiáng)度也就合情合理，不會(huì)覺得突兀。

3.比值定義法建立磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念

比值定義法，是用兩個(gè)或多個(gè)物理量的比值定義物理概念的方法，其核心意義在比較，選取相同的標(biāo)準(zhǔn)，把彼此有一定聯(lián)系的事物進(jìn)行對(duì)照，從而確定其相同或相異之點(diǎn)。

教材以一段演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行這種比較的思路：利用控制變量法使得在均勻磁場(chǎng)中分別保持電流強(qiáng)度和導(dǎo)線長度不變，而改變導(dǎo)線長度和電流強(qiáng)度，從而分析受力情況與導(dǎo)線長度或電流強(qiáng)度的關(guān)系。這種比較的思路完全正確，然而教材的編寫是F=ILB，不得不使我們想到，在處理電場(chǎng)時(shí)，我們?cè)?jīng)有這樣的一個(gè)概念，同一電荷在強(qiáng)電場(chǎng)中的受力比弱電場(chǎng)的受力大，所以，可以用同一電荷在不同電場(chǎng)或電場(chǎng)中的不同位置的受力大小推知電場(chǎng)的強(qiáng)弱，可是在磁場(chǎng)中是否也應(yīng)該這樣呢？

電流元的概念沒法在中學(xué)物理中量化，所以只能將電流元IL當(dāng)做單位長度的1安培電流的受力情況來處理，那么在不同磁場(chǎng)中，同樣的IL在不同磁場(chǎng)中的受力是什么情況呢？顯然，教材并沒有提及要做這樣的實(shí)驗(yàn)，只說“在不同磁場(chǎng)中，B值是不相同的，即使是同樣的I和L，導(dǎo)線的受力也是不同的”。而這恰恰是不夠的，因?yàn)槲覀儾恢肋@些物理量是正比還是反比關(guān)系，所以我們需要換更強(qiáng)的磁體進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)才可以定性說明，然而怎樣叫更強(qiáng)？在我們沒有磁感應(yīng)強(qiáng)度這樣的計(jì)算式時(shí)，該如何量化磁場(chǎng)的強(qiáng)弱？所以用F=IL存在這樣一個(gè)邏輯問題。筆者建議直接采用分析F/IL值，比較不同磁場(chǎng)中相同的IL受力情況，并定義這個(gè)比值為磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，即磁感應(yīng)強(qiáng)度，而不是機(jī)械地進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)式的轉(zhuǎn)變。

4.對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)的一些想法

教材提到的實(shí)驗(yàn)，如圖2，是利用水平懸掛在磁體間的直導(dǎo)線的擺動(dòng)幅度代替磁場(chǎng)力，

這種說法無可厚非，因?yàn)橹睂?dǎo)線受到水平方向的磁場(chǎng)力，明顯是力越大，擺動(dòng)幅度越大。那么能否計(jì)算出這個(gè)力的大小呢？如果能計(jì)算是不是也對(duì)式子F/IL是個(gè)不變的值有更好的作用呢？其實(shí)這不就是一個(gè)簡(jiǎn)單的懸掛重物受到水平方向力的問題嗎？先畫出它的模型圖，畫出它的側(cè)視圖，如圖3。分別測(cè)出繩長l、直導(dǎo)線受力穩(wěn)定后距離懸點(diǎn)的高度h及直導(dǎo)線的質(zhì)量（不同長度的直導(dǎo)線質(zhì)量不同），通過受力分析和平行四邊形定則可以求出磁場(chǎng)力

確定了磁場(chǎng)力的求法，那么就可以代入數(shù)據(jù)定量求出磁場(chǎng)力的大小，這樣就可以比較不同的電流或者不同的導(dǎo)線長度在磁場(chǎng)中的受力F與IL的比值是否相同，相同的話則更有力地說明了式子F/IL的值可以反映磁場(chǎng)本身的性質(zhì)，表征磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

三、結(jié)語

如果沒有教材，教師摸黑探索可能需要碰壁無數(shù)次，而有了教材的引領(lǐng)就可以少走很多彎路。教師在教學(xué)過程中加深對(duì)教材的分析和研究，合理處理教材內(nèi)容，真正實(shí)現(xiàn)“教教科書”向“用教科書教”的教材功能觀的轉(zhuǎn)變，不僅提高教師個(gè)人專業(yè)水平，而且在一定程度上對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情起到一定的積極作用，增長學(xué)生見識(shí)，真正落實(shí)新課程理念。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬亞鵬.不同版本教材“磁感應(yīng)強(qiáng)度”定義方式的比較研究[J].寧夏：陜西師范大學(xué)出版社，2010，5.

[2]邢紅軍.按照比值定義法的本質(zhì)改進(jìn)高中物理概念的編寫[J].北京：蘇州大學(xué)出版社，2004，4.

[3]石堯.以科學(xué)方法的邏輯展開“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念教學(xué)的高端備課[J].北京：湖南中學(xué)物理雜志社，2013，4.

[4]朱建廉.物理教學(xué)中的概念精準(zhǔn)與邏輯嚴(yán)密[J].江蘇南京：陜西師范大學(xué)出版社，2010，10.