基于審辨式思維的物理論證教學(xué)*
——以“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”為例

周佩佩

(清華大學(xué)附屬中學(xué)望京學(xué)校 北京 100027)

竇維霞

(北京工業(yè)大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100022)

何德強(qiáng)

(北京市第八十中學(xué) 北京 100102)

張春麗

(北京市朝陽區(qū)教育科學(xué)研究院 北京 100021)

2022年版的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出物理課程的核心素養(yǎng).核心素養(yǎng)是課程育人價(jià)值的集中體現(xiàn),是學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀、必備品格和關(guān)鍵能力.物理課程核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.其中“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素,基于科學(xué)論證的教學(xué)方式得到教師們的青睞,是因?yàn)樵摲绞接幸嬗谂囵B(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí)、證據(jù)觀念、推理能力和審辯性思維;也能促進(jìn)核心概念的整合以及深化對(duì)知識(shí)內(nèi)容、科學(xué)本質(zhì)的理解.

1 科學(xué)論證的要素分析

物理科學(xué)論證活動(dòng)是指學(xué)生基于原有知識(shí)提出可探究的問題,然后設(shè)計(jì)適切的、可操作性的實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行自主的實(shí)驗(yàn)探究,在實(shí)驗(yàn)中完成數(shù)據(jù)的搜集,以對(duì)數(shù)據(jù)的評(píng)估為依據(jù)發(fā)表自己的主張,并且能對(duì)同伴提出的質(zhì)疑進(jìn)行辯論和論證.整個(gè)學(xué)習(xí)過程以學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)為主線,抓住探究學(xué)習(xí)的關(guān)鍵程序和能力,強(qiáng)調(diào)過程中的質(zhì)疑和反思、交流和討論、探索和創(chuàng)造,通過問題解決實(shí)現(xiàn)有效且深入的學(xué)習(xí).我們認(rèn)為,這種學(xué)習(xí)是學(xué)生生動(dòng)、活潑、主動(dòng)的學(xué)習(xí),而不是被動(dòng)、消極、低效的學(xué)習(xí).

科學(xué)論證的要素包括可探究的科學(xué)論題、提出自己的主張、尋找事實(shí)依據(jù)、展開邏輯推理、進(jìn)行合理反駁、總結(jié)科學(xué)結(jié)論等要素,圖1闡述了科學(xué)論證要素的具體內(nèi)容.本文以人教版高中物理選擇性必修第二冊(cè)第一章第2節(jié)“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”的教學(xué)為例,分享筆者基于審辨式思維的物理論證教學(xué)的研究成果.

圖1 科學(xué)論證要素的具體內(nèi)容

2 剖析教學(xué)內(nèi)容

“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力”這一節(jié)是對(duì)安培力知識(shí)的延深;又是學(xué)習(xí)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ);也是電磁學(xué)與力學(xué)結(jié)合的切入點(diǎn);還是研究微觀帶電粒子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的宏觀物理現(xiàn)象的開端.在知識(shí)結(jié)構(gòu)和發(fā)展學(xué)生認(rèn)知領(lǐng)域上具有非常特殊的價(jià)值!

本節(jié)知識(shí)主線的核心內(nèi)容是洛倫茲力的方向和大小,從學(xué)生的能力和思維特點(diǎn)及其培養(yǎng)上看,洛倫茲力的方向涉及的空間立體關(guān)系比較抽象,適合學(xué)生在實(shí)踐中感知,是培養(yǎng)科學(xué)探究的有效素材;洛倫茲力與安培力的宏觀與微觀的聯(lián)系,是培養(yǎng)科學(xué)思維的關(guān)鍵載體,教學(xué)中可以通過教師引導(dǎo),讓學(xué)生自主建立兩者之間的關(guān)聯(lián),再進(jìn)行理論推導(dǎo).另外洛倫茲力的基本地位、洛倫茲力與電場(chǎng)力之間的關(guān)聯(lián)以及磁場(chǎng)與電場(chǎng)的關(guān)聯(lián)這些教學(xué)內(nèi)容,既能夠完善學(xué)生的知識(shí)體系和物理觀念、鍛煉學(xué)生學(xué)習(xí)的能力,又給學(xué)生提供了豐富的想象空間.

3 教學(xué)過程

3.1 問題的提出

我們知道電荷處在電場(chǎng)中就會(huì)受到電場(chǎng)力的作用如圖2所示,電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是特殊的物質(zhì)且相互聯(lián)系.

圖2 電子束演示儀

大家類比思考一下,磁場(chǎng)對(duì)電荷是不是也有力的作用呢?如果有,是不是只要在磁場(chǎng)中放入電荷就有磁場(chǎng)力的作用呢?這個(gè)力有什么樣的特點(diǎn)?

設(shè)計(jì)意圖：重力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)都能夠產(chǎn)生力的作用,開放性問題的設(shè)置和討論, 有利于學(xué)生對(duì)場(chǎng)和相互作用建立更加完善的認(rèn)識(shí).

3.2 探究1——磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用嗎?

實(shí)驗(yàn)猜想:磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用.

猜想依據(jù):磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有作用力,電荷的定向移動(dòng)形成電流,因此磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用.

實(shí)驗(yàn)操作:利用電子束演示儀如圖2所示和T型磁鐵進(jìn)行實(shí)驗(yàn),觀察電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn).

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:抽成真空的玻璃管的左右兩極分別連接到高壓電源的兩極時(shí),陰極會(huì)發(fā)射電子.電子在電場(chǎng)的加速下飛向陽極.沒有電場(chǎng)時(shí),電子束成一直線.如果在電子束的路上施加磁場(chǎng),電子束的徑跡會(huì)發(fā)生彎曲.改變磁場(chǎng)方向,電子束會(huì)向相反方向彎曲,如圖3所示.

圖3 電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:其實(shí)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)洛倫茲力確實(shí)存在.在歷史上荷蘭科學(xué)家洛倫茲最早提出磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用的猜想,為了紀(jì)念他,人們把磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力稱為洛倫茲力.

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)電流的微觀認(rèn)識(shí)和對(duì)安培力的認(rèn)識(shí)是學(xué)習(xí)洛倫茲力的重要事實(shí)經(jīng)驗(yàn),但這些對(duì)于洛倫茲力的學(xué)習(xí)來說都是間接信息,為了能夠讓學(xué)生接受運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力的作用這一事實(shí),有必要為學(xué)生建立直接經(jīng)驗(yàn),即觀察電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn).由運(yùn)用運(yùn)動(dòng)和相互作用觀,可以由電子束在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)推斷運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到力的作用.

3.3 探究2——洛倫茲力的方向如何判斷?

提出問題: 我們通過剛才的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子束的受力方向、運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向三者的方向關(guān)系是立體的,那么用什么方法確定電子束的受力方向呢?

我的主張:洛侖茲力方向的判定應(yīng)當(dāng)遵循左手定則.

我的依據(jù):磁場(chǎng)對(duì)電流有作用力,電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流,磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力本質(zhì)上是對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用力,因此洛倫茲力方向的判定應(yīng)當(dāng)遵循左手定則!

實(shí)驗(yàn)操作:改變手中磁鐵的方向使電子向上偏轉(zhuǎn),向下偏轉(zhuǎn),向靠近你的方向偏轉(zhuǎn),向遠(yuǎn)離你的方向偏轉(zhuǎn),并且利用你手中的模型如圖4所示(橡皮泥、吸管)來記錄電子束的受力方向、運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向.

圖4 吸管模型

證據(jù)支撐:用左手定則判定電子束的受力方向和實(shí)際的受力方向相符合.

審辯質(zhì)疑:四指指向電子運(yùn)動(dòng)的方向,磁感線垂直穿過掌心,大拇指所指的方向就是受力的方向.發(fā)現(xiàn)利用左手定則判定的受力方向與電荷偏轉(zhuǎn)的方向相反!

質(zhì)疑反駁:電子定向運(yùn)動(dòng)的反方向是電流的方向.

修正完善:洛倫茲力的方向可以用左手定則判定,伸開左手,讓拇指與其余四指垂直,并且都與手掌在同一平面內(nèi);讓磁感線從掌心垂直進(jìn)入,并使四指指向正電荷運(yùn)動(dòng)方向或者負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向,這時(shí)拇指所指的方向就是運(yùn)動(dòng)的電荷在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力的方向,如圖5所示.

圖5 左手定則判定洛倫茲力的方向

設(shè)計(jì)意圖：物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,科學(xué)實(shí)驗(yàn)是揭示自然規(guī)律的重要方法和手段.培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究最基本的思維方法:科學(xué)猜想—邏輯推理—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—?dú)w納討論.同時(shí)借助科學(xué)推理和物理建模,由洛倫茲力的方向判定規(guī)律遵循安培力的方向判定規(guī)律——左手定則,得出安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn).在這個(gè)實(shí)驗(yàn)探究的過程中,讓學(xué)生體會(huì)透過現(xiàn)象尋求微觀本質(zhì)的意義,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

3.4 探究3——洛倫茲力大小的表達(dá)式

提出問題:導(dǎo)線中的電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí),安培力大小為F=BIL.在這種情況下,導(dǎo)線中電荷定向移動(dòng)的方向也與磁場(chǎng)方向垂直.既然安培力是洛侖茲力的宏觀體現(xiàn),那么我們是否可以由安培力的表達(dá)式推導(dǎo)出洛倫茲力的表達(dá)式呢?

核心思想的構(gòu)架過程:

真實(shí)情境：如圖6所示,導(dǎo)體棒MN與電源、開關(guān)、導(dǎo)線及平行導(dǎo)軌構(gòu)成的回路,放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于回路所在平面,此時(shí),導(dǎo)體棒相對(duì)磁場(chǎng)靜止不動(dòng).

模型建構(gòu):設(shè)導(dǎo)體棒MN是長(zhǎng)度為L(zhǎng),橫截面積為S的直導(dǎo)線,單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個(gè)自由電荷的電荷量為q,自由電荷定向移動(dòng)的速率為v.這段通電導(dǎo)線垂直磁場(chǎng)方向放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.

理論推導(dǎo):

(1)電流強(qiáng)度I

(2)通電導(dǎo)線所受的安培力

膀胱痙攣是膀胱沖洗患者比較常見的并發(fā)癥，臨床表現(xiàn)為陣發(fā)性發(fā)作的恥骨上疼痛，可能與患者術(shù)前存在不穩(wěn)定膀胱、手術(shù)導(dǎo)致細(xì)胞受損增加了應(yīng)激性以及氣囊及尿管的刺激有關(guān)[1-2]。膀胱痙攣不僅影響了手術(shù)治療效果，而且可導(dǎo)致繼發(fā)性出血，引起膀胱內(nèi)血塊填塞、泌尿系統(tǒng)感染等[3-4]，如果處理不當(dāng)可延長(zhǎng)患者的住院時(shí)間，增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，必須采取積極的效果預(yù)防膀胱痙攣的發(fā)生?，F(xiàn)選取我科室2017年1月—2018年1月收治的60例需要膀胱持續(xù)沖洗的患者為研究對(duì)象，探討綜合護(hù)理干預(yù)對(duì)膀胱痙攣的預(yù)防效果。

F安=BIL=BnqSvL

(3)這段導(dǎo)線內(nèi)的自由電荷數(shù)

N=nV=nLS=nvtS

(4)每個(gè)電荷所受的洛倫茲力

洛倫茲力的方向判定如圖7所示.

圖7 左手定則判定洛倫茲力的方向

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

電荷量為q的粒子以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí),如果速度方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直,那么粒子所受的洛倫茲力為

F洛=qvB

設(shè)計(jì)意圖：高中物理電磁學(xué)部分最重要的力就是安培力與洛倫茲力,推導(dǎo)洛倫茲力的過程中,將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化,設(shè)置成4個(gè)問題鏈讓學(xué)生依次去探究,幫助學(xué)生從導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動(dòng)形成電流的微觀模型出發(fā),過渡到所有定向移動(dòng)的自由電子受到的洛倫茲力的矢量合為安培力的大小.還有一個(gè)有心的設(shè)計(jì),物理情景為導(dǎo)體棒相對(duì)磁場(chǎng)靜止不動(dòng),這為后續(xù)導(dǎo)體棒所受安培力等于各個(gè)電子所受洛倫茲力在運(yùn)動(dòng)方向上分力的合力,不等于洛倫茲力的合力做鋪墊,也為洛倫茲力永不做功、安培力可以做功留有接口.

這樣就為學(xué)生提供了解決問題的邏輯線索,降低思維難度,鍛煉學(xué)生的邏輯推理能力.在推理過程中,挖掘宏觀現(xiàn)象的微觀本質(zhì),在物理的研究或?qū)W習(xí)中培養(yǎng)尋找一件事物與另一件事物之間的聯(lián)系是一種推理和認(rèn)知能力,搭建合適的腳手架、提供合適的引導(dǎo)、建立物理模型、科學(xué)的推理論證,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生思考問題的習(xí)慣、發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)思維和科學(xué)探究能力.

3.5 探究4——洛倫茲力的作用效果

提出問題:當(dāng)運(yùn)動(dòng)電荷垂直于磁場(chǎng)的方向射入,它會(huì)做什么樣的運(yùn)動(dòng)?

我的主張:勻速圓周運(yùn)動(dòng).

理論推導(dǎo):洛倫茲力始終與速度垂直,只改變速度的方向,不改變速度的大小.若帶電粒子垂直進(jìn)入磁場(chǎng)且僅受洛倫茲力作用將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

可得

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:外加磁場(chǎng),電子垂直進(jìn)入,看到運(yùn)動(dòng)軌跡變?yōu)閳A周,如圖8所示.

圖8 勻速圓周運(yùn)動(dòng)

審辯質(zhì)疑:不一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng),或者說做勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要一定的條件.

合理反駁:勻強(qiáng)磁場(chǎng),速度垂直進(jìn)入磁場(chǎng).

反思性研討1：請(qǐng)問如何操作才能讓電子束做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑更大一些,你有什么辦法嗎?

審辯1：若帶電粒子平行射入磁場(chǎng),粒子受到的洛倫茲力又如何呢?

理論分析:若帶電粒子平行射入磁場(chǎng),粒子做直線運(yùn)動(dòng),說明不受洛倫茲力,如圖9所示.

圖9 勻速直線運(yùn)動(dòng)

審辯2：若帶電粒子不垂直也不平行射入磁場(chǎng),粒子受到的洛倫茲力又如何呢?

理論分析:將速度分解為垂直于磁場(chǎng)的方向和平行于磁場(chǎng)的方向,垂直于磁場(chǎng)的方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng),平行于磁場(chǎng)的方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),整體上是螺旋前進(jìn)的運(yùn)動(dòng),如圖10所示.

圖10 螺旋前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖：愛因斯坦說:“提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更重要”,培養(yǎng)學(xué)生的問題意識(shí).引導(dǎo)學(xué)生分析提取、整合信息、建立模型,與已有知識(shí)建立聯(lián)系,提出自己的想法,表達(dá)自己的觀點(diǎn),培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神、證據(jù)意識(shí).

3.6 探究5——物理學(xué)史再學(xué)習(xí)

到目前為止,洛倫茲力是一個(gè)非常重要且特殊的力,既能解釋磁場(chǎng)的微觀本質(zhì),又能夠控制電子在磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng),我們?cè)賮砹私庖幌侣鍌惼澾@位科學(xué)家.他是荷蘭卓越的理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家,經(jīng)典電子論的創(chuàng)立者.洛倫茲以電子概念解釋物質(zhì)的電性質(zhì),從電子論推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中要受到力的作用,即洛倫茲力.1902年洛倫茲和他的學(xué)生塞曼同獲當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

設(shè)計(jì)意圖：從科學(xué)史的角度看,洛倫茲是一位在經(jīng)典與近代物理之間承上啟下的科學(xué)巨擘,是第一代物理學(xué)家的領(lǐng)袖.他不僅在科研中取得了令人矚目的成就,更在做人方面為世人樹立了典范.

3.7 探究6——洛倫茲力的應(yīng)用:東方超環(huán)

其實(shí)我們利用電子束的磁偏轉(zhuǎn)有很多重要的實(shí)際應(yīng)用.比如2021年5月28日我國(guó)科學(xué)裝置“東方超環(huán)”取得了國(guó)際性重大突破,首次實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度101秒等離子體運(yùn)行,為可控核聚變鋪平了道路.東方超環(huán)的核心技術(shù)之一是控制等離子體的運(yùn)動(dòng),從而把它們約束在一個(gè)指定的區(qū)域內(nèi).我們學(xué)習(xí)物理是非常重要的,它是為了更好地服務(wù)于人類的科技與生活.

設(shè)計(jì)意圖：電子束的磁偏轉(zhuǎn)體現(xiàn)了物理知識(shí)與科學(xué)技術(shù)的聯(lián)系,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任感.

4 總結(jié)反思

物理學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)點(diǎn)在于我們是否能夠運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的知識(shí)技能解決復(fù)雜的真實(shí)情境問題.因此在教學(xué)中應(yīng)把跟學(xué)生生活聯(lián)系密切的實(shí)際問題、社會(huì)熱點(diǎn)問題、現(xiàn)代科技成果等有真實(shí)情境的教學(xué)內(nèi)容引進(jìn)課堂,應(yīng)讓學(xué)生獲得在真實(shí)情境中解決物理問題的大量經(jīng)驗(yàn),形成把情境與知識(shí)相關(guān)聯(lián)的意識(shí)和能力,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn),從科學(xué)論證的要素出發(fā),創(chuàng)設(shè)問題情境,設(shè)計(jì)合理的科學(xué)論證活動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的能力.