在富有“物理范”的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)
——以“洛倫茲力在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用”教學(xué)為例

黃正玉

(廣東省深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 深圳 518000)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng),筆者以“洛倫茲力在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用”一課為例，探討核心素養(yǎng)理念下的高三復(fù)習(xí)課的教學(xué)模式，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，遵循物理教學(xué)的基本特征，打造富有“物理范”的課堂教學(xué)。

本文為2020年深圳市教育規(guī)劃課題“高中‘物理范’教學(xué)的理論與實(shí)踐”(立項(xiàng)編號(hào)：ybfz20076)的階段性研究性成果。

1 富有“物理范”的物理教學(xué)應(yīng)遵循科學(xué)法則

1.1 在課題引入中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

視頻片段引入課題：我國(guó)物理學(xué)研究取得世界級(jí)成果，清華大學(xué)薛其坤院士在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了“量子反?；魻栃?yīng)”(圖1)。

圖1

在科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)方面，要求學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)；具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，能主動(dòng)與他人合作，實(shí)事求是，不迷信權(quán)威；尤其是引導(dǎo)學(xué)生關(guān)心科技發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同感和自豪感。

師：楊振寧教授評(píng)價(jià)薛院士的發(fā)現(xiàn)是“諾貝爾獎(jiǎng)”級(jí)別的重大成果，可以說(shuō)是對(duì)量子反?；魻栃?yīng)的最高評(píng)價(jià)。這個(gè)成果所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)就是洛倫茲力，今天我們一起學(xué)習(xí)“洛倫茲力在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用”。

設(shè)計(jì)思路：讓學(xué)生了解我國(guó)科學(xué)家在科技方面取得的成就，感受物理學(xué)對(duì)社會(huì)的巨大貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)、熱愛(ài)科學(xué)的態(tài)度以及探索未知世界的責(zé)任意識(shí)與擔(dān)當(dāng)精神。通過(guò)視頻引入課題，也為后面所要講的霍爾效應(yīng)埋下伏筆。

1.2 創(chuàng)設(shè)情景，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究

物理學(xué)以觀察與實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在高三物理教學(xué)中適當(dāng)引入演示實(shí)驗(yàn)和科學(xué)探究，既能調(diào)節(jié)枯燥的學(xué)習(xí)氣氛，更能體現(xiàn)物理課程的基本特征。在探究中培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)，提高學(xué)生的問(wèn)題解決能力。

師：我們知道洛倫茲力大小的關(guān)系式為f=qvB，其中涉及磁感應(yīng)強(qiáng)度B、運(yùn)動(dòng)速度v和電荷量q等3個(gè)基本要素。我給大家提供了實(shí)驗(yàn)器材：電解液和強(qiáng)磁鐵。

筆者將實(shí)驗(yàn)儀器中的電解液和強(qiáng)磁鐵兩個(gè)裝置分開(kāi)展示。

師：我想請(qǐng)一位同學(xué)上講臺(tái)，利用學(xué)過(guò)的洛倫茲力，讓這個(gè)環(huán)形裝置中的溶液轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

生：將容器直接放在強(qiáng)磁鐵上方。

學(xué)生代表嘗試將環(huán)形容器放在強(qiáng)磁鐵上，觀察到電解液真轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

師：磁鐵磁場(chǎng)方向豎直向上，電解液中正電荷向右(或負(fù)電荷向左)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)“左手定則”進(jìn)行判斷，安培力方向和液體轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否一致？

生1：讓磁感線(xiàn)穿過(guò)手心，四指指向正電荷的運(yùn)動(dòng)方向，則大拇指所指的方向剛好和觀察到的液體流動(dòng)方向一致，說(shuō)明其代表了洛倫茲力的方向。

生2：讓磁感線(xiàn)穿過(guò)手心，四指指向與負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)方向相反，則大拇指所指的方向剛好和觀察到的液體流動(dòng)方向一致，說(shuō)明其代表了洛倫茲力方向。

生3：那就是說(shuō)在同一個(gè)電解液里面，不管正電荷還是負(fù)電荷，結(jié)論一致。

師：對(duì)應(yīng)同一電源，雖然電解液中正負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)方向相反，但是他們受到的洛倫茲力方向相同，所以我們才會(huì)觀察到液體總是朝同一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

設(shè)計(jì)思路：在課堂教學(xué)中筆者引入自制實(shí)驗(yàn)器材——環(huán)形洛倫茲力演示器(圖2)。接通電源后，正、負(fù)電荷受到洛倫茲力的作用，使得液體(含有懸浮小球)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。通過(guò)現(xiàn)象分析，熟悉左手定則的內(nèi)容。通過(guò)真實(shí)情景和任務(wù)驅(qū)動(dòng)，使學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，提高問(wèn)題解決能力。

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，總結(jié)得出結(jié)論：(1) 當(dāng)v⊥B時(shí)，洛倫茲力f=qvB，洛倫茲力的方向可運(yùn)用左手定則來(lái)判定；(2) 液體在環(huán)形容器中的流動(dòng)方向既是正電荷所受洛倫茲力的方向，也是負(fù)電荷受到的洛倫茲力方向。

圖2

2 富有“物理范”的教學(xué)具有物理風(fēng)采、氣質(zhì)

2.1 通過(guò)課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

科學(xué)思維是從物理視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，包括分析和綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用。

在課堂討論中，教師引入容易混淆的3種洛倫茲力的應(yīng)用場(chǎng)景(表1)，學(xué)生通過(guò)對(duì)比、辨析，找到其相互的相同點(diǎn)和本質(zhì)區(qū)別，主要包括模型建構(gòu)和科學(xué)推理等要素。

師：下面我們一起來(lái)看看洛倫茲力在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用：電磁驅(qū)動(dòng)、霍爾效應(yīng)、等離子體發(fā)電機(jī)。

教師引導(dǎo)學(xué)生分小組討論，總結(jié)歸納出幾種不同情景下正、負(fù)電荷所受洛倫茲力的方向特點(diǎn)。

表1

2.2 通過(guò)歸納總結(jié)，提升學(xué)生的思維品質(zhì)

嚴(yán)密的邏輯推理是數(shù)理學(xué)科獨(dú)有的思維方式，是最能體現(xiàn)物理風(fēng)采和氣質(zhì)的核心素養(yǎng)。通過(guò)對(duì)比可以看出，由于洛倫茲力方向由粒子的速度方向、粒子的電性、磁場(chǎng)的速度方向等決定，故如果只有一個(gè)決定因素反向，則洛倫茲力反向。若同時(shí)將其中兩個(gè)決定因素反向，則洛倫茲力方向不變，歸納結(jié)果如表2。

表2

2.3 通過(guò)課堂訓(xùn)練，交流學(xué)習(xí)成果

課堂訓(xùn)練采用異質(zhì)分組形式，盡量保證同一小組內(nèi)的學(xué)生在智力和技能方面均存在差異。課堂組織采用小組討論、交流展示等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的交流與合作能力，小組互評(píng)豐富了課堂評(píng)價(jià)方式。

例1：醫(yī)生做某些特殊手術(shù)時(shí)，會(huì)利用電磁血流計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)通過(guò)動(dòng)脈的血流速度。電磁血流計(jì)由一對(duì)電極a和b以及一對(duì)磁極N和S構(gòu)成，磁極間的磁場(chǎng)是均勻的。使用時(shí)，兩電極a、b均與血管壁接觸，兩觸點(diǎn)的連線(xiàn)、磁場(chǎng)方向和血流速度方向兩兩垂直(圖3)。由于血液中的正負(fù)離子隨血流一起在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，電極a、b之間會(huì)有微小電勢(shì)差。在達(dá)到平衡時(shí)，血管內(nèi)部的電場(chǎng)可看做是勻強(qiáng)電場(chǎng)，血液中的離子所受的電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的合力為零。在某次監(jiān)測(cè)中，兩觸點(diǎn)的距離為3.0mm，血管壁的厚度可忽略，兩觸點(diǎn)間的電勢(shì)差為160μV，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.040T。則血流速度的近似值和電極a、b的正負(fù)為( )。

圖3

A. 1.3m/s，a正、b負(fù)

B. 2.7m/s，a正、b負(fù)

C. 1.3m/s，a負(fù)、b正

D. 2.7m/s，a負(fù)、b正

師：這個(gè)模型屬于前面總結(jié)過(guò)的哪個(gè)模型？

生：該模型不屬于霍爾效應(yīng)，因?yàn)榛魻栃?yīng)只有一種電荷(正或負(fù))在流動(dòng)。題目中的正負(fù)離子隨液體朝同一個(gè)方向定向移動(dòng)，磁場(chǎng)作用下應(yīng)該受到相反方向的洛倫茲力，所以屬于磁流體發(fā)電機(jī)模型。

師：產(chǎn)生的電壓有什么特征？

例2：為了降低潛艇噪音,可采用電磁推進(jìn)器替代螺旋槳。潛艇下方有左、右兩組推進(jìn)器,每組由6個(gè)相同的、用絕緣材料制成的直線(xiàn)通道推進(jìn)器構(gòu)成,如圖4所示，在直線(xiàn)通道內(nèi)充滿(mǎn)電阻率ρ=0.2Ω·m的海水,在通道中0.3m×0.4m×0.3m的空間內(nèi),存在由超導(dǎo)線(xiàn)圈產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng),其磁感應(yīng)強(qiáng)度B=6.4T、方向垂直通道側(cè)面向外。磁場(chǎng)區(qū)域上、下方各有0.3m×0.4m的金屬板M、N，當(dāng)其與推進(jìn)器專(zhuān)用直流電源相連后，在兩板之間的海水中產(chǎn)生了從N到M、大小恒為I=1.0×103A的電流,設(shè)該電流只存在于磁場(chǎng)區(qū)域。不計(jì)電源內(nèi)阻及導(dǎo)線(xiàn)電阻,海水密度ρm=1.0×103kg/m3。

圖4

(1) 求一個(gè)直線(xiàn)通道推進(jìn)器內(nèi)磁場(chǎng)對(duì)通電海水的作用力大小,并判斷其方向;

(2) 在不改變潛艇結(jié)構(gòu)的前提下,簡(jiǎn)述潛艇如何轉(zhuǎn)彎?如何“倒車(chē)”?

(3) 當(dāng)潛艇以恒定速度v0=30m/s前進(jìn)時(shí),海水在出口處相對(duì)于推進(jìn)器的速度v=34m/s,計(jì)算潛艇所受牽引力功率和通道內(nèi)海水的熱功率大小。

師：海水中正負(fù)粒子受到的洛倫茲力宏觀上相當(dāng)于什么力？

生：安培力。

師：以潛艇作為研究對(duì)象，先進(jìn)行正確的受力分析，再?gòu)牧湍芰績(jī)蓷l主線(xiàn)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。

參考答案：(1) 1.92×103N，作用力方向向右(或與海水出口方向相同)；(2) 開(kāi)啟或關(guān)閉不同個(gè)數(shù)的左右兩側(cè)的直線(xiàn)通道推進(jìn)器,實(shí)施轉(zhuǎn)彎。改變電流方向或者磁場(chǎng)方向,可使?jié)撏А暗管?chē)”；(3)P牽引力=6.9×105W，P熱=12×5.0×105W=6.0×106W。

師：磁流體推進(jìn)器被譽(yù)為核潛艇界的技術(shù)革命，經(jīng)過(guò)我國(guó)科研人員的努力，自主攻克了該技術(shù)難題。磁流體推進(jìn)運(yùn)行時(shí)幾乎完全靜音。裝備了磁流體推進(jìn)器的核潛艇在靜音狀態(tài)下產(chǎn)生的噪音只有80分貝，是目前世界噪音最低的核潛艇，能讓核潛艇真正成為“海底幽靈”。

設(shè)計(jì)思路：在高三物理一輪復(fù)習(xí)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)往年高考試題的研究，而高考試題往往取材于生產(chǎn)生活中的情景，這就需要我們重視對(duì)其中素材的積累和整理。在本環(huán)節(jié)中，教師通過(guò)電磁血流計(jì)和潛艇中的電磁推進(jìn)器模型，設(shè)置情境，讓學(xué)生體會(huì)到高考備考應(yīng)回歸到物理模型的本源，在模型的演繹、拓展中感受科學(xué)思維的魅力，提升關(guān)鍵能力。教師在講完電磁驅(qū)動(dòng)在潛艇中的應(yīng)用后，還可適時(shí)介紹一下我國(guó)研發(fā)的磁流體推進(jìn)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和使命感。

3 “范”亦為“fun”， 富有“物理范”的物理教學(xué)應(yīng)生動(dòng)有趣

在教學(xué)中環(huán)形洛倫茲力演示器以散裝組件呈現(xiàn)，分別是強(qiáng)磁鐵、電解液，要求學(xué)生將幾部分組合在一起，演示洛倫茲力。整個(gè)活動(dòng)需要學(xué)生相互合作、進(jìn)行討論，同學(xué)們“腦洞大開(kāi)”，在富有趣味的活動(dòng)中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到了運(yùn)動(dòng)電荷必須放入磁場(chǎng)中才會(huì)受到洛倫茲力，體現(xiàn)了物理的“fun”。

課堂展示采用手機(jī)投屏技術(shù)，將手機(jī)拍攝的內(nèi)容直接投到大屏幕，一方面有利于全體學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，突出實(shí)驗(yàn)效果。另一方面，也契合本節(jié)課的主題—現(xiàn)代技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，在理論聯(lián)系實(shí)際方面起到了示范作用。

4 結(jié)語(yǔ)

才者德之資，德者才之帥，富有“物理范”的課堂首要目標(biāo)是樹(shù)人；牽手生活，創(chuàng)新源自實(shí)踐，富有“物理范”的課堂應(yīng)該是生活化的；科學(xué)思維包含模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新，富有“物理范”的課堂還應(yīng)該有較強(qiáng)的邏輯性；科學(xué)探究不應(yīng)該是枯燥的，而應(yīng)是趣味橫生、愉悅身心，富有“物理范”的課堂更應(yīng)該是有趣的。