从定性到定量——“安培力”的另类教法

王进峰

(浙江省嘉兴高级中学,浙江 嘉兴 314000)



从定性到定量
——“安培力”的另类教法

王进峰

(浙江省嘉兴高级中学,浙江 嘉兴 314000)

“安培力”教学需要突破常规思路,从定性判断到定量研究,让学生在课堂上体会逻辑与实验的完美结合,提升思维能力,体验实验的无穷魅力．

安培力;电流天平;定量研究

实践是检验真理的唯一标准．在物理学发展历程中,一个理论或者公式的得出,往往需要实验的验证．从效果来看,实验的验证或许比理论的推导更具震撼力和说服力．因此我们在课堂教学时如果条件允许,应该尽量安排教学环节使得学生能够参与到实验探究过程中,一是可以丰富课堂结构,二是能使学生热爱物理实验．人教版物理选修3-1第3章第4节“通电导线在磁场中受到的力”,教材的处理的逻辑结构是这样的,如图1．

图1

1 教材处理的缺憾之处

教材的处理虽然体现了螺旋式上升的理念,步步深入,符合新课程改革的思想．但是还是不够深入,有点虎头蛇尾之嫌．因为第2节本身就是定性研究通电导线在磁场中的受力情况与哪些因素有关,如果第4节仍然只是定性研究,显得有点草率,如果此节采用定量研究,无疑会是一种质的提升,通过实验来探究能深化学生思维,前后呼应,让知识鲜活起来．

2 定量探究的可行性分析

2.1 知识层面

学生从学习“磁场”开始,掌握了磁场的基本概念,包括各种典型磁场的分布特点,利用右手螺旋定则判断磁场方向,包括直导线和通电螺线管;也知道了磁感应强度B的大小和方向,可以说具备了探究的知识储备．

2.2 方法论层面

在 “探究加速度与力、质量关系” 的力学实验中,学生已经掌握了如何用控制变量的方法来研究有几个变量的问题;在电学实验“探究平行板电容器的影响因素”中也贯穿了这种重要的实验方法,因此用控制变量来研究安培力大小的影响因素可以说水到渠成．

3 课堂教学设计片段再现

由于安培力的“定义”、“方向”、“两导线作用”、“应用”几个模块教材处理较为合理,这里不一一赘述,只呈现关键的部分“大小”这一教学片断的设计．

3.1 学生大胆猜想

提问:力的方向确定好之后你们想知道安培力的什么知识?回答:安培力的大小．

提问:据你们现有的知识,猜想这个安培力大小与哪些因素可能有关?回答:可能与电流大小I、导线长短L、磁场强弱B有关,也有可能与磁场和电流的夹角θ有关．然后引出“控制变量法”:保持导线长度L、磁感应强度B不变,研究在B与I垂直条件下,两者的关系;保持电流I、磁感应强度B不变,研究L改变后F怎么变;保持电流I、导线长度L不变,研究、磁感应强度B变化时F如何变．

3.2 实验器材及原理

在确定用实验来探究安培力大小的影响因素之后,用什么样的仪器来操作也是费了一番脑筋．起初准备用传感器实验来做,优点是直观高效,但由于学生对于传感器的原理认识不足,所以选择原理简单易懂的“电流天平”来实施实验,如图2．

图2

“电流天平”利用等臂杠杆原理,将通电导线受到的安培力直观地用砝码的重力来呈现,螺线管内部忽略边缘效应后能提供一个匀强磁场,通过控制励磁线圈的电流来改变内部磁感应强度B的大小,导线长度也可以根据接入电路的长度来改变,如图3．

图3

实验原理如图4,通电导线放在螺线管内部,两个电源分别为导线和线圈供电,两个电流表分别测量励磁线圈I2电流和导线电流I1．

图4

3.3 实验探究过程

(1) 研究安培力与I的关系．调节滑动变阻器R1,改变导线电流I1,在其余条件不变的情况下读出相应安培力大小,填入表格1．

表1

从表1可以看出,安培力与电流成正比．

(2) 研究安培力与L的关系．调节导线长度从L0变为2L0,在其余条件不变的情况下读出安培力大小,填入表格2．

表2

虽然实验可以改变的参数只有两组,但是从结果可以看出,安培力与通电导线长度成正比．

图5

(3) 研究安培力与磁感应强度B的关系．这一步也是所有的步骤中最难的,调节滑动变阻器R2,改变导线励磁线圈电流I2,I2越大B也越大,但是两者又是什么关系呢?此时引入磁感应强度传感器来作为辅助仪器,如图5．

在改变I2的同时读出螺线管内部的磁感应强度B,从而测量相应条件下的安培力F,填入表格3．

表3

从表3可以看出,安培力F与磁感应强度B成正比．

3.4 实验探究结论

通过以上3个实验得到的结论:F∝I,F∝L,F∝B,可以写成F∝BIL,于是变成等式F=kBIL．如果各物理量取国际单位制,则k=1,等式变成F=BIL,安培力的大小的实验探究才最后得出结论．此时学生一定会联想到第2节中关于B的定义式,从而完成定性到定量的突破,让学生体会到从理论到实践的相辅相成,一定印象深刻．

4 课后反思成败得失

安培力大小实验探究的设计突破了教材的限制,将枯燥的理论具化为可操作的探究实验,把猜想一步步变为现实．具体的操作步骤可以提炼为图6．

从定性了解到定量研究,是高中阶段中学生应该要掌握的能力,这样的设计正是基于学生的学情所做的大胆创新．这样的处理是对教材的二次开发,知识仍在书本,形式不拘泥于书本,这也正是教学的魅力所在．照本宣科式的教学是无法激起学生的求知欲的,更不能让学生喜欢物理,热爱科学．

图6

当然由于受实验条件所限,未必尽善尽美,譬如长度的改变数据不够丰富,时间限制数据取得不多,用图像法更能消除偶然误差等．

但瑕不掩瑜,这样的大胆尝试让学生感受到了物理严谨和实验的魅力,两者相得益彰．在学习的深度上更上一层楼,学生的思维能力得到了提升,学生不仅收获了知识,更锻炼了实验能力．

1 胡彬.注重实验设计 引导学生探究[J].物理教师,2014(1):40-41.

2 陈海涛.关于实验反思的实践的研究[J].物理实验，2006(7):24-25.

3 王法秀，王耀福.另一种关于安培力的演示实验[J].物理教师，2003(7)：26.

4 马霏.自制探究安培力演示器[J].物理教师，2013(10)：57.

2016-09-30)