從定性到定量
——“安培力”的另類(lèi)教法

王進(jìn)峰

(浙江省嘉興高級(jí)中學(xué),浙江 嘉興 314000)

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從定性到定量
——“安培力”的另類(lèi)教法

王進(jìn)峰

(浙江省嘉興高級(jí)中學(xué),浙江 嘉興 314000)

“安培力”教學(xué)需要突破常規(guī)思路,從定性判斷到定量研究,讓學(xué)生在課堂上體會(huì)邏輯與實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合,提升思維能力,體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的無(wú)窮魅力．

安培力;電流天平;定量研究

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)．在物理學(xué)發(fā)展歷程中,一個(gè)理論或者公式的得出,往往需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證．從效果來(lái)看,實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證或許比理論的推導(dǎo)更具震撼力和說(shuō)服力．因此我們?cè)谡n堂教學(xué)時(shí)如果條件允許,應(yīng)該盡量安排教學(xué)環(huán)節(jié)使得學(xué)生能夠參與到實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中,一是可以豐富課堂結(jié)構(gòu),二是能使學(xué)生熱愛(ài)物理實(shí)驗(yàn)．人教版物理選修3-1第3章第4節(jié)“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力”,教材的處理的邏輯結(jié)構(gòu)是這樣的,如圖1．

圖1

1 教材處理的缺憾之處

教材的處理雖然體現(xiàn)了螺旋式上升的理念,步步深入,符合新課程改革的思想．但是還是不夠深入,有點(diǎn)虎頭蛇尾之嫌．因?yàn)榈?節(jié)本身就是定性研究通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的受力情況與哪些因素有關(guān),如果第4節(jié)仍然只是定性研究,顯得有點(diǎn)草率,如果此節(jié)采用定量研究,無(wú)疑會(huì)是一種質(zhì)的提升,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究能深化學(xué)生思維,前后呼應(yīng),讓知識(shí)鮮活起來(lái)．

2 定量探究的可行性分析

2.1 知識(shí)層面

學(xué)生從學(xué)習(xí)“磁場(chǎng)”開(kāi)始,掌握了磁場(chǎng)的基本概念,包括各種典型磁場(chǎng)的分布特點(diǎn),利用右手螺旋定則判斷磁場(chǎng)方向,包括直導(dǎo)線和通電螺線管;也知道了磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向,可以說(shuō)具備了探究的知識(shí)儲(chǔ)備．

2.2 方法論層面

在 “探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系” 的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生已經(jīng)掌握了如何用控制變量的方法來(lái)研究有幾個(gè)變量的問(wèn)題;在電學(xué)實(shí)驗(yàn)“探究平行板電容器的影響因素”中也貫穿了這種重要的實(shí)驗(yàn)方法,因此用控制變量來(lái)研究安培力大小的影響因素可以說(shuō)水到渠成．

3 課堂教學(xué)設(shè)計(jì)片段再現(xiàn)

由于安培力的“定義”、“方向”、“兩導(dǎo)線作用”、“應(yīng)用”幾個(gè)模塊教材處理較為合理,這里不一一贅述,只呈現(xiàn)關(guān)鍵的部分“大小”這一教學(xué)片斷的設(shè)計(jì)．

3.1 學(xué)生大膽猜想

提問(wèn):力的方向確定好之后你們想知道安培力的什么知識(shí)?回答:安培力的大小．

提問(wèn):據(jù)你們現(xiàn)有的知識(shí),猜想這個(gè)安培力大小與哪些因素可能有關(guān)?回答:可能與電流大小I、導(dǎo)線長(zhǎng)短L、磁場(chǎng)強(qiáng)弱B有關(guān),也有可能與磁場(chǎng)和電流的夾角θ有關(guān)．然后引出“控制變量法”:保持導(dǎo)線長(zhǎng)度L、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,研究在B與I垂直條件下,兩者的關(guān)系;保持電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變,研究L改變后F怎么變;保持電流I、導(dǎo)線長(zhǎng)度L不變,研究、磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化時(shí)F如何變．

3.2 實(shí)驗(yàn)器材及原理

在確定用實(shí)驗(yàn)來(lái)探究安培力大小的影響因素之后,用什么樣的儀器來(lái)操作也是費(fèi)了一番腦筋．起初準(zhǔn)備用傳感器實(shí)驗(yàn)來(lái)做,優(yōu)點(diǎn)是直觀高效,但由于學(xué)生對(duì)于傳感器的原理認(rèn)識(shí)不足,所以選擇原理簡(jiǎn)單易懂的“電流天平”來(lái)實(shí)施實(shí)驗(yàn),如圖2．

圖2

“電流天平”利用等臂杠桿原理,將通電導(dǎo)線受到的安培力直觀地用砝碼的重力來(lái)呈現(xiàn),螺線管內(nèi)部忽略邊緣效應(yīng)后能提供一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng),通過(guò)控制勵(lì)磁線圈的電流來(lái)改變內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小,導(dǎo)線長(zhǎng)度也可以根據(jù)接入電路的長(zhǎng)度來(lái)改變,如圖3．

圖3

實(shí)驗(yàn)原理如圖4,通電導(dǎo)線放在螺線管內(nèi)部,兩個(gè)電源分別為導(dǎo)線和線圈供電,兩個(gè)電流表分別測(cè)量勵(lì)磁線圈I2電流和導(dǎo)線電流I1．

圖4

3.3 實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

(1) 研究安培力與I的關(guān)系．調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R1,改變導(dǎo)線電流I1,在其余條件不變的情況下讀出相應(yīng)安培力大小,填入表格1．

表1

從表1可以看出,安培力與電流成正比．

(2) 研究安培力與L的關(guān)系．調(diào)節(jié)導(dǎo)線長(zhǎng)度從L0變?yōu)?L0,在其余條件不變的情況下讀出安培力大小,填入表格2．

表2

雖然實(shí)驗(yàn)可以改變的參數(shù)只有兩組,但是從結(jié)果可以看出,安培力與通電導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比．

圖5

(3) 研究安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系．這一步也是所有的步驟中最難的,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2,改變導(dǎo)線勵(lì)磁線圈電流I2,I2越大B也越大,但是兩者又是什么關(guān)系呢?此時(shí)引入磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器來(lái)作為輔助儀器,如圖5．

在改變I2的同時(shí)讀出螺線管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,從而測(cè)量相應(yīng)條件下的安培力F,填入表格3．

表3

從表3可以看出,安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比．

3.4 實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論

通過(guò)以上3個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論:F∝I,F∝L,F∝B,可以寫(xiě)成F∝BIL,于是變成等式F=kBIL．如果各物理量取國(guó)際單位制,則k=1,等式變成F=BIL,安培力的大小的實(shí)驗(yàn)探究才最后得出結(jié)論．此時(shí)學(xué)生一定會(huì)聯(lián)想到第2節(jié)中關(guān)于B的定義式,從而完成定性到定量的突破,讓學(xué)生體會(huì)到從理論到實(shí)踐的相輔相成,一定印象深刻．

4 課后反思成敗得失

安培力大小實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)突破了教材的限制,將枯燥的理論具化為可操作的探究實(shí)驗(yàn),把猜想一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)．具體的操作步驟可以提煉為圖6．

從定性了解到定量研究,是高中階段中學(xué)生應(yīng)該要掌握的能力,這樣的設(shè)計(jì)正是基于學(xué)生的學(xué)情所做的大膽創(chuàng)新．這樣的處理是對(duì)教材的二次開(kāi)發(fā),知識(shí)仍在書(shū)本,形式不拘泥于書(shū)本,這也正是教學(xué)的魅力所在．照本宣科式的教學(xué)是無(wú)法激起學(xué)生的求知欲的,更不能讓學(xué)生喜歡物理,熱愛(ài)科學(xué)．

圖6

當(dāng)然由于受實(shí)驗(yàn)條件所限,未必盡善盡美,譬如長(zhǎng)度的改變數(shù)據(jù)不夠豐富,時(shí)間限制數(shù)據(jù)取得不多,用圖像法更能消除偶然誤差等．

但瑕不掩瑜,這樣的大膽嘗試讓學(xué)生感受到了物理嚴(yán)謹(jǐn)和實(shí)驗(yàn)的魅力,兩者相得益彰．在學(xué)習(xí)的深度上更上一層樓,學(xué)生的思維能力得到了提升,學(xué)生不僅收獲了知識(shí),更鍛煉了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?/p>

1 胡彬.注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 引導(dǎo)學(xué)生探究[J].物理教師,2014(1):40-41.

2 陳海濤.關(guān)于實(shí)驗(yàn)反思的實(shí)踐的研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2006(7):24-25.

3 王法秀，王耀福.另一種關(guān)于安培力的演示實(shí)驗(yàn)[J].物理教師，2003(7)：26.

4 馬霏.自制探究安培力演示器[J].物理教師，2013(10)：57.

2016-09-30)