自制演示實(shí)驗(yàn) 回歸探索本源
——探究磁感應(yīng)強(qiáng)度展示課回眸

戚明亮

(江蘇省張家港市暨陽高級(jí)中學(xué) 215600)

一、問題的提出

物理選修3-1(人民教育出版社2010年4月第三版)第三章磁場(chǎng)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)，磁感應(yīng)強(qiáng)度概念是電磁學(xué)的基本概念之一，是本章的重點(diǎn).同時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)磁極和電流的作用力(本質(zhì)上是磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力)遠(yuǎn)比電場(chǎng)對(duì)電荷的作用力復(fù)雜，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量是本章教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)，利用演示實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)直觀來說明問題就顯得非常重要.教材演示實(shí)驗(yàn)是通過一段通電直導(dǎo)線受到的安培力來尋找影響通電導(dǎo)線受力的因素，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量—磁感應(yīng)強(qiáng)度.其實(shí)驗(yàn)裝置演示安培力大小與電流強(qiáng)度及導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有效長度之間的關(guān)系時(shí)，有如下不足：(1)U型磁鐵磁性弱，導(dǎo)體棒中通以小電流，所受安培力較小，不易測(cè)量.(2)導(dǎo)體棒通電后偏角太小，受力后會(huì)擺動(dòng)不易穩(wěn)定，難比較安培力大小.(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)論是定性的，沒有定量測(cè)量，探究中概念的形成過程不突出.

本文是筆者以自制演示實(shí)驗(yàn)教具來探究磁感應(yīng)強(qiáng)度的一節(jié)課，在市高中物理教學(xué)課改中展示，獲得較高評(píng)價(jià).

二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.器材的準(zhǔn)備

長方形強(qiáng)磁鐵2塊，漆包線一卷，彈簧秤1個(gè)(量程最大5N)，厚木板一塊

2.器材的制作

(1)在厚木板兩側(cè)各開一道深約2cm凹槽，寬度與強(qiáng)磁鐵厚度同等，兩凹槽相互平行.

(2)將兩塊強(qiáng)磁鐵分別嵌入凹槽固定，如圖1所示.

(3)將漆包線繞制成個(gè)300匝線圈(中間有100、200匝抽頭).

(4)將彈簧秤固定于鐵架臺(tái)上，線圈懸掛于彈簧秤下，置于磁鐵中間，如圖2所示.

三、案例呈現(xiàn)

1.設(shè)計(jì)情境，提出課題

演示實(shí)驗(yàn)：馬蹄形、條形磁鐵和小磁鐵，吸引大頭針和凳子

視頻：播放磁懸浮列車視頻

設(shè)問：(1)上述現(xiàn)象屬于物理學(xué)的何種現(xiàn)象？(2)現(xiàn)象的本質(zhì)是什么現(xiàn)象？(3)由上述得到什么結(jié)論？(4)引入磁場(chǎng)有強(qiáng)弱.

【設(shè)計(jì)意圖】增加感性素材，引發(fā)學(xué)生思考是科學(xué)學(xué)科教學(xué)的基本原則之一，同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)茉鰪?qiáng)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生集中注意力，感知磁場(chǎng)的客觀存在和磁場(chǎng)的基本性質(zhì).

從磁鐵吸引大頭針到學(xué)生坐的凳子，再到磁懸浮列車，逐步放大磁現(xiàn)象，學(xué)生形成了明顯的感官對(duì)比，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)有強(qiáng)弱.通過預(yù)設(shè)問題設(shè)計(jì)，透過(磁)現(xiàn)象，看到本質(zhì)(力)，建立磁與力的聯(lián)系，再次明確了磁場(chǎng)的基本性質(zhì).同時(shí)也使學(xué)生自然聯(lián)想到需要有描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量—磁感應(yīng)強(qiáng)度.

2.類比推理，引發(fā)沖突

設(shè)問：(1)有現(xiàn)有的物理量來描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱？(2)有以前經(jīng)驗(yàn)可以借鑒嗎？(類比電場(chǎng)強(qiáng)度的引入)

演示實(shí)驗(yàn)：小磁針在磁鐵周圍的不同位置的指向—磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向

設(shè)問：(1)能否用小磁針N極受力大小來反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱呢？(2)如果不合適，選取誰作為“偵察兵”？( 電流元？)(3)選取的通電導(dǎo)線有要求嗎？(回顧試探電荷要求)

【設(shè)計(jì)意圖】根據(jù)預(yù)設(shè)的問題，讓學(xué)生根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，在推理的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)矛盾，再引導(dǎo)學(xué)生深入討論，促使學(xué)生積極思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力.從學(xué)生已學(xué)過電場(chǎng)強(qiáng)度的定義，自然推理得到測(cè)量N極的受力，同時(shí)學(xué)生閱讀課本發(fā)現(xiàn)N極不能單獨(dú)存在，不能量化測(cè)量受力大小，也就無法確定磁感應(yīng)強(qiáng)度，在認(rèn)知沖突下，學(xué)生產(chǎn)生了強(qiáng)烈的求知欲望，希望找到問題的答案，此時(shí)再引導(dǎo)學(xué)生深入討論甚至爭(zhēng)論，最終從研究小磁針N極受力到研究電流元受力直至研究磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力大小.

3.啟發(fā)分析，尋找相關(guān)量

設(shè)問：磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力大小跟哪些因素有關(guān)呢？

猜想：(1)磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)(一定);(2)電流的大小有關(guān);(3)導(dǎo)線的長度有關(guān);(4)導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向有關(guān)(垂直).

【設(shè)計(jì)意圖】科學(xué)探究源于問題，始于科學(xué)猜想.科學(xué)猜想，需要建立在研究者對(duì)問題已經(jīng)形成的初步認(rèn)識(shí)和理解的基礎(chǔ)上，而且科學(xué)猜想還將為進(jìn)一步探索指明方向.教學(xué)中，筆者對(duì)學(xué)生提出的每一個(gè)觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí)都予以充分的重視，同時(shí)要求對(duì)所提出的要求，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)對(duì)問題進(jìn)行解釋，由此總結(jié)分析得到磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力大小跟哪些因素有關(guān).

4.實(shí)驗(yàn)探究，尋求規(guī)律

設(shè)問：分析可知，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線作用力的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)弱、電流大小、導(dǎo)線長度、導(dǎo)線與磁場(chǎng)方向等有關(guān)，如何研究它們之間的關(guān)系呢？

生：可以仿照探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思想方法——控制變量法

(1)介紹如圖2所示的裝置:a)一個(gè)300匝線圈(中間有100、200匝抽頭)，接不同的匝數(shù)相當(dāng)于改變導(dǎo)線的長度;b)彈簧秤量程最大5N,0.1N/格;c)兩塊磁鐵，磁鐵間磁場(chǎng)大小可認(rèn)為大小、方向處處相同.

(2)操作步驟:a)在不通電下，記錄彈簧秤示數(shù)(線圈重力)F1;b)通電后記錄彈簧秤示數(shù)F2，則磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線作用力F=F2-F1.

(3)實(shí)驗(yàn)探究:a)保持磁場(chǎng)與導(dǎo)線框垂直，L不變(300匝)，改變電流,記錄數(shù)據(jù)與處理如圖3所示.

長度不變,改變電流大小I(mA)00.20.40.60.81F(N)00.20.40.580.81

b)保持磁場(chǎng)與導(dǎo)線框垂直，I不變(300匝)，改變,記錄數(shù)據(jù)與處理如圖4所示.

電流不變(0.6 mA),改變長度(匝數(shù))大小長度0100200300F(N)00.20.380.58

引導(dǎo)學(xué)生分析歸納：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力的大小，既與導(dǎo)線的長度L成正比，與導(dǎo)線中的電流I也成正比，即與I和L的乘積成正比，用公式表示為F∝IL，引入比例系數(shù)B，寫成等式為：F=BIL.

5.方法類比，科學(xué)詮釋

設(shè)問：為何這一比值可以用來描述磁場(chǎng)，怎樣科學(xué)詮釋比值定義法？

【設(shè)計(jì)意圖】雖然我們已經(jīng)有了定義電場(chǎng)強(qiáng)度的方法，似乎可以順理成章的得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義，但還不能從本質(zhì)上理解，這是本節(jié)思維和方法提煉的最大的難點(diǎn)，因此需要借助教師的點(diǎn)撥，理解采用“比”操作的目的，從而掌握比值定義法的科學(xué)內(nèi)涵.

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，物理教學(xué)要努力多做實(shí)驗(yàn)，老師要積極思考，除了要在備課時(shí)自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)外，一定要針對(duì)實(shí)驗(yàn)多思考教材實(shí)驗(yàn)的不足，充分聯(lián)系學(xué)校實(shí)際，學(xué)生生活實(shí)際，開發(fā)實(shí)驗(yàn)，拓展實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能.可以從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、數(shù)據(jù)測(cè)量、便利觀察等角度思考實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).結(jié)合物理教學(xué)中的難點(diǎn)，努力開發(fā)新實(shí)驗(yàn).另外，要分析如何把驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提升為探索性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是對(duì)知識(shí)的正確與否加以驗(yàn)證，雖然利于鞏固和加深對(duì)基本規(guī)律和基本原理的認(rèn)識(shí)，但是，缺少了問題的發(fā)現(xiàn)，缺少了探究的過程，因此我們要有意識(shí)的創(chuàng)設(shè)科學(xué)探究的環(huán)境，充分利用身邊的各種資源，讓學(xué)生在實(shí)踐環(huán)境中感知和體驗(yàn)，尤其用學(xué)生熟悉的材料制作的實(shí)驗(yàn)儀器，不僅容易克服學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的畏難情緒，而且能減少學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的思維障礙，利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生敏銳的洞察能力，從而更加透徹的理解知識(shí).