浅谈左手定则教学

朱具德

(江苏省新沂市第一中学,江苏　新沂　221400)



浅谈左手定则教学

朱具德

(江苏省新沂市第一中学,江苏新沂221400)

本文就教师行为对学生小组合作探索效度影响的角度,从正反两个方面谈《磁场对通电导线的作用力》中左手定则的教学.

安培力；左手定则;教师行为;合作效度

物理课程改革大力提倡学生自主学习、合作探索,要求转变学生的学习方式,教师要成为学生学习的促进者、合作者,学习评价的指导者,学习潜能的开发者[1].笔者在市教研活动中听了一节公开课《磁场对通电导线的作用力》,授课教师的教学设计、一言一行对学生合作探索的影响令人感触颇深.

1　教学片断

师(演示):实验示意图如图1,合上电键,导线中就有如图1所示的电流,仔细观察导线的状态有何变化？

图1

生:导线发生了偏移,向右偏移.

师:导线为何往右偏？

生:它受到了向右的力.

师:请大家猜一猜这个力的方向与哪些因素有关？

生1:与磁场有关.

生2:还与电流有关.

师:很好！与这些因素到底有什么样的关系？下面我们就图1中“电流方向与磁场方向垂直”这种特殊情况做进一步研究.

师:这是一个量与两个量之间的关系,怎么研究？

生:利用控制变量法.

师:好！比如控制磁场方向不变,改变电流的方向.按照这种控制,有几种实验组合呢？

生(讨论):控制磁场方向不变,改变电流方向有两种情况;控制电流方向不变,改变磁场方向也有两种.一共有四种组合.

师:(展示)这四种组合如图2所示,请每一组同学利用桌上的仪器研究安培力的方向与磁场及电流方向之间的关系(将全班分为四组,每组研究一种情况).

图2

生(实验,汇报):①中安培力向右,②中安培力向左,③中安培力向左,④中安培力向右.

师(展示四种情况中安培力的方向如图3所示):观察①、②导体棒受到的安培力,说明了什么？

生:①和②两种情况中磁场的方向相同,电流方向相反,通电导体棒受到的安培力方向相反,这说明电流的方向会影响安培力的方向.

师:再看①和③中安培力,这又说明了什么？

图3

生:在①和③中,电流的方向都是垂直纸面向外的,磁场的方向改变,安培力方向也改变,这又说明磁场的方向也会影响安培力的方向.

师:可见刚才大家的猜测是正确的！它们到底有怎样的关系？(学生观察，不得要领.)

师:好像不太直观,下面请大家随我一起用桌上的小竹竿把它们的方向摆出来再思考:拿出盒子里的橡皮泥和三根竹竿,黑色竹竿代表磁场,尖端表示磁场方向,黄色竹竿代表电流方向,红色竹竿代表安培力方向.怎么摆？在第一种情况中,磁场方向向下——把黑色竹竿插在橡皮泥上,尖端向下;电流垂直于黑板面向外流出——黄色竹竿尖端向外也插在橡皮泥上;安培力向左——红色尖端向左也插在橡皮泥上.三者的方向关系就呈现出来了,现在请大家模仿，把你们组刚才所做的实验情况把三者的方向也用竹竿摆出来.(小组学生合作尝试.)

师:请每一组推荐一名代表把你们摆好的竹竿拿上讲台展示,依次排开(如图4).

图4

师:大家摆出了四种情况,它们的相对位置是否一样？

生:不一样！

师:真的不一样吗？

生:……

师:请第一种情况的同学手里的竹竿不要动,其他三种情况的同学试一试,经过转动,能不能变得和第一种情况一样？(各个组的同学可以上去帮忙，学生边讨论边试探转动竹竿.)

生(第二组):一样！因为黑色竹竿的位置和①中一样,保持其位置不变,以它为轴使红杆和黄杆在水平面内转动,红杆可先向里转90°,再向右转90°,结果和①相同.

生(第三组):一样！

生(第四组):一样！

师:居然都一样！这说明了什么？

生:这说明所有这四种情况下安培力的方向与磁场、电流的方向其相对位置关系都相同,只有一种情况,像图1那样.

图5

师:既然都相同且只有一种,所以这一种“结构”关系就是我们苦苦寻找的安培力的方向与磁场、电流的方向应遵循的规律！规律终于找到了,利用它我们就可以判断安培力的方向啦.如图5所示，通电导线受到的安培力方向如何？

生(手中拿着图4①中插成的小竹竿边旋转边回答):电流方向是流出来的,磁场方向向右,黄棒不动,以黄棒为轴.将黑棒逆时针转90°,这时红棒向上,说明安培力向上.

师:做的很好.如果以后每次我们分析类似问题时,都拿着竹竿插来插去,转来转去,方便吗？

生:不方便.

师:在此基础上能否寻找更好的方法呢？之前学习本章第二节时我们是怎样确定电流周围磁场方向的？

生:用安培定则,也就是右手螺旋定则.

师:那么今天大家能不能也用手把它们深藏的关系挖掘出来？(学生小组讨论.)

生1:用右手,四指代表磁场方向,然后调整手掌,使四指向导体棒运动的方向弯曲,那么露出的大拇指指的方向就是电流方向.

师(怀疑):大拇指指向与电流方向一致吗？再说四指伸直了就没法弯曲了.

生2(不耐烦地):课本上不是说了吗.

师:你告诉大家课本上是怎么说的？

生2:左手定则——伸开左手,使拇指与其余四个手指垂直,并且都与手掌在一个平面内;让磁感线从掌心穿入,并使四指指向电流方向,这时拇指所指的方向就是通电直导线在磁场中所受安培力的方向[2].

师:我们可以直接用课本上教的方法——左手定则.

2　听课感悟

2.1探究安培力方向——巧设情景,润物无声,唤醒学生探索源动力

教师首先将安培力、磁场、电流的方向用竹竿在空间展示出来,学生瞬间逝去的思维立刻又连续起来.真是“此时无声胜有声”,化无形为有形,由抽象到具体,此情此景怎能不激发学生的想象力！这不能不说是教师的创新.

接着一句“它们的相对位置是否一样呢？”此言一出,下面立刻群情激奋,有的说不一样,有的说不一定,为了证明自己的猜想对不对,事实胜于雄辩,马上行动,于是几只手转来转去,咦！和第一种一样！也和第一种一样！还和第一种一样！啊,四种情况完全一样,太神奇了！出乎所有学生所料,他们异常兴奋,原来要找的规律就是这三根棒之间的关系！真如伽利略所说的那样:物理规律往往是以最简洁的形式表现出来.课堂气氛跌宕起伏、空前热烈,如此课堂效率怎能不高！由此可见教师的精妙点拨能够唤起学生强烈的求知欲,这才是探究知识的源动力,何需教师的千言万语.

2.2寻找左手定则——迷恋教材,错失良机,可惜学生一片智慧火花

“几种电流周围的磁场由安培定则判断”,教师这样提示很好,可是从心理学角度来看,这似乎也给学生某种暗示:能不能也用右手把安培力的方向与磁场方向、电流方向联系在一起呢？所以第一位同学通过讨论说出了自己的猜想.其实这是学生智慧的火花、创造力的表现，不是吗？如图1所示,右手四指代表磁场方向向下,导体棒向右运动,若要四指向右弯曲,右手掌心必然要向右,然后弯曲四指,伸出的大拇指正好是电流方向.教师对此应大力表扬鼓励并耐心引导.可预设过程如下:

师:也是右手螺旋,这种方法不错,如果导体棒固定不动四指怎么弯曲了？

生:还向右弯曲,因为安培力向右.

师:那你刚才发现的定律如何修改？

生:四指向安培力方向弯曲.

师:很好.可我们探究的是安培力的方向,应当突出的是安培力,那大拇指代表谁更合适？

生:代表安培力.

师:如此一改,四指表示什么?请大家按照他的说法用右手做一做.并归纳总结规律.

生(动手模拟、讨论):用右手四指代表电流方向,调整手掌,让四指向磁场方向弯曲,则伸出的大拇指方向就是安培力的方向.

师:为了便于四指弯曲,调整后的手掌是怎么放在磁场中的？

生:掌心向着磁场方向,即让磁感线从手掌背面穿过.

师:其实这种方法是大学物理要学习的矢量叉乘法则.大家能够总结出来真是不简单！(顿一顿)在物理学的发展历程中,物理学家们或许为了防止人们在使用中与已有的安培定则(右手螺旋定则)发生混淆,或许为了更为简单直观，于是将右手改为左手,左手和右手是对称的,原来右手在磁场中放置时磁感线从掌背穿过,改为左手其在磁场中怎么放？

生:让磁感线从左手掌心穿过.

师:这就是左手定则.

可惜教师没有明白学生的想法,于是他悻悻然、满脸委屈地坐下,真是遗憾.其实只有立足于学生思维根源的、自然生成的知识才是真正的知识,才是有生命力的知识,这些知识才是发明创造的源泉.美国现行物理主流教材《物理：原理与问题》对这部分内容的编写就是采用这位同学的方法.可见教师在设计、实施科学探究方案时务必要重视过程与方法,充分考虑探究历程中出现的问题,不必拘泥局限于教材,否则会错过不少“牛顿”、“爱迪生”.

3　结语

在物理学中,一些定律的发现、定则的建立是一个漫长的过程,有时经历几代人,绝非课堂上一、二十分钟探究活动所能解决的.所以课堂上的科学探究旨在重演探究过程,正像匈牙利数学家波利亚所说的那样:“在教一个学科的分支(或一个理论、一个概念)时,我们应该让孩子重蹈人类思想发展中的那种最关键的步子,当然我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误,而仅仅是重蹈关键性步子.”因此教师必要的情景创设、恰当的引导或指导,不仅能让学生体会科学家探索之艰辛、成功之喜悦,提高课堂效率,而且更能让学生

在观察和实验之后开拓视野,萌发出一些科学的思想.诸如爱因斯坦中学时思考的“人坐在接近光速行驶的火车上会看到什么情景？”一类问题,为其终身学习奠定基础.反之教师的草率行为学生会认为教师在敷衍、弄虚作假、浪费时间,长此以往会心生厌恶之感,何来效率.

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(实验)[M].北京:人民教育出版社,2008:52.

[2] 课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.普通高中物理课程标准实验教科书:物理·选修3-1[M].第3版.人民教育出版社,2011:91-92.