深度挖掘?qū)嶒?yàn)資源精準(zhǔn)判斷安培力方向

羅慧

摘 要：“安培力的方向是否就是金屬棒（線圈）的運(yùn)動(dòng)方向”，對(duì)于學(xué)生提出的質(zhì)疑，利用力傳感器、電子臺(tái)秤等實(shí)驗(yàn)器材在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。共設(shè)計(jì)了四套實(shí)驗(yàn)方案，從不同的角度判斷了安培力的方向。解決問題的同時(shí)，關(guān)注學(xué)生批判性思維的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)資源；安培力方向

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0065-3

安培力的方向是《通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力》一節(jié)中的重點(diǎn)，通常是根據(jù)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向來判斷安培力的方向，并通過探究實(shí)驗(yàn)得到左手定則的規(guī)律。常用的實(shí)驗(yàn)有兩種：圖1實(shí)驗(yàn)器材中的導(dǎo)線受力后發(fā)生擺動(dòng)；圖2實(shí)驗(yàn)器材中的金屬棒受力后水平運(yùn)動(dòng)，得到的結(jié)論是安培力沿水平方向。人教版教材中“改變導(dǎo)線中電流的方向，觀察受力方向是否改變”[1]也是這樣安排的，即觀察安培力的方向就是觀察運(yùn)動(dòng)方向。有學(xué)生提出質(zhì)疑：導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向一定就是安培力的方向嗎？如圖3所示，如果運(yùn)動(dòng)的方向向右，安培力的方向可以傾斜向上，也可以是傾斜向下。稍作分析我們就知道在這樣的實(shí)驗(yàn)器材下，導(dǎo)體除了受到安培力、重力外，還受到導(dǎo)線或金屬導(dǎo)軌的彈力，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向應(yīng)該是合力的方向，不一定就是安培力的方向。

能否在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)或者對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，解決學(xué)生的質(zhì)疑和困惑，準(zhǔn)確判斷安培力的方向。在日常教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，筆者與學(xué)生一邊探討，一邊實(shí)驗(yàn)，總結(jié)提煉出以下四種方案，拋磚引玉，供同行探討。

1 方案一

實(shí)驗(yàn)器材：將磁鐵及力傳感器按圖4位置固定在鐵架臺(tái)上（未畫出），線框用細(xì)線固定，掛在力傳感器上，讓最底部一段導(dǎo)線在U型磁鐵內(nèi)，保持靜止，對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通電后，力傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，線框未出現(xiàn)擺動(dòng)。

判斷依據(jù)：通電前，線圈處于平衡狀態(tài)，水平方向不受力。通電后，力傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，說明磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用。線框沒有擺動(dòng)，說明安培力的方向在豎直方向上。若讀數(shù)為負(fù)值，安培力方向向上；若為正值，安培力方向向下。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)1和安培力DIS定量實(shí)驗(yàn)[2]的基礎(chǔ)上的改裝，體現(xiàn)了教育技術(shù)的應(yīng)用，通過傳感器數(shù)據(jù)的變化和觀察線框的擺動(dòng)情況來確定安培力的方向，有較強(qiáng)的說服力，需要有較高的實(shí)驗(yàn)操作水平。

2 方案二

實(shí)驗(yàn)器材：將磁鐵及金屬導(dǎo)軌按如圖5所示位置固定，撕一段細(xì)鋁箔片，長(zhǎng)度比金屬導(dǎo)軌寬度略長(zhǎng)。在U型磁鐵內(nèi)將鋁箔片兩端分別固定在兩根金屬導(dǎo)軌上。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通電后，鋁箔向右發(fā)生明顯形變。

判斷依據(jù)：鋁箔片固定在金屬導(dǎo)軌上，中間部位僅受重力的作用。通電后，處在磁場(chǎng)中的鋁箔片受到安培力，因?yàn)槠溟L(zhǎng)度比導(dǎo)軌寬度略長(zhǎng)，在合力的作用下，鋁箔片發(fā)生明顯彎曲，彎曲的方向即合力的方向。又因?yàn)殇X箔片質(zhì)量極輕，重力相對(duì)安培力可以忽略，可以得到結(jié)論：安培力的方向水平向右。

力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因，也是使物體發(fā)生形變的原因，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上，進(jìn)行小小的改進(jìn)，通過觀察鋁箔的形變方向來判斷安培力的方向，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)象直觀。

3 方案三

實(shí)驗(yàn)器材：如圖6所示，線圈固定在門形支架上，支架固定在鐵架臺(tái)上（未畫出），讓線圈最底端的導(dǎo)線放置在高精度電子臺(tái)秤（0.01 g）上的U型磁鐵內(nèi)，臺(tái)秤顯示讀數(shù)為磁鐵對(duì)臺(tái)秤的壓力。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：線圈通電后，電子臺(tái)秤的讀數(shù)未發(fā)生改變。

判斷依據(jù)：通電后，磁場(chǎng)中的通電導(dǎo)線受到安培力的作用，由于線圈固定，不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。根據(jù)牛頓第三定律，導(dǎo)線也會(huì)給磁鐵力的作用，方向與安培力方向相反。若安培力的方向斜向上，或者斜向下，則其在豎直上的分力不為零，電子臺(tái)秤的讀數(shù)在通電后會(huì)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，臺(tái)秤的讀數(shù)并未改變，可以判斷安培力沿水平方向。

從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)依據(jù)運(yùn)動(dòng)方向來判斷受力方向，改為從數(shù)據(jù)的變化上理解、判斷，材料簡(jiǎn)單，原理清晰，結(jié)合舊知，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

4 方案四

實(shí)驗(yàn)器材：所需器材與方案一相同，將力傳感器、細(xì)繩、線框、磁鐵按圖7固定（放置），記錄通電前力傳感器的讀數(shù)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通電后，線框整體發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穩(wěn)定后力傳感器讀數(shù)與通電前讀數(shù)一致。

判斷依據(jù)：如果安培力方向斜向上或斜向下，則其在豎直方向上的分力會(huì)使力傳感器的讀數(shù)發(fā)生變化。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中線圈通電前保持靜止，力傳感器讀數(shù)等于線圈重力，通電后，線圈在安培力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。平衡后細(xì)繩拉力大小發(fā)生變化，但由于安培力在水平方向，因此拉力沿豎直方向的分力大小不變，大小等于重力，又因?yàn)榱鞲衅髫Q直放置，只能測(cè)量沿著力傳感器測(cè)量桿方向上的力，這個(gè)力等于拉力的豎直分力，所以力傳感器的讀數(shù)沒有發(fā)生變化。

該方案是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)1的升級(jí)版，通過直觀觀察線圈擺動(dòng)，利用數(shù)據(jù)判斷安培力的方向更有說服力，但對(duì)力傳感器的讀數(shù)變化判斷是否存在豎直方向的安培力分量的理解相對(duì)較難，實(shí)驗(yàn)前教師需將判斷依據(jù)講解到位。

日常教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往成為教師的表演，“假探究”“程序性實(shí)驗(yàn)”限制了學(xué)生的思考，特別是批判性思維被嚴(yán)重遏制。當(dāng)學(xué)生提出質(zhì)疑后，筆者與學(xué)生共同探討，進(jìn)一步挖掘?qū)嶒?yàn)資源，證實(shí)了原實(shí)驗(yàn)中安培力方向與運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生聽從證據(jù)的指導(dǎo)，考慮所有的可能性，用自己的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)去重新審視已有的觀點(diǎn)是否有邏輯、有道理，有利于學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]丁煥平，張英.利用DIS定量探究安培力創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2014，32（3）：74-75.

（欄目編輯 張正嚴(yán)）