巧用问题驱动 培养核心素养①——以“磁感应强度”的教学为例

黄利华

(江苏省启东中学,江苏 启东226200)

巧用问题驱动 培养核心素养①
——以“磁感应强度”的教学为例

黄利华

(江苏省启东中学,江苏 启东226200)

笔者没有采用电场强度作类比的方法建立磁感应强度概念，打破已有的教学经验,是一次全新的尝试和挑战。本节课采用三个问题驱动、科学猜想和实验探究相结合的策略,达成了培养学生物理核心素养的目标。

磁感应强度;问题驱动;科学猜想;核心素养

1 引言

笔者参加了2016年南通市高中物理优质课比赛并荣获一等奖，上课内容是人教版选修3-1第三章第二节“磁感应强度”,授课对象是高一学生,他们刚学完牛顿运动定律,尚未接触到电磁学的内容。给这些学生讲授“磁感应强度”是一种全新的尝试,以往的教学经验都不适用了,必须打破固有的教学模式才行。笔者从新高一学生的认知水平出发,通过问题驱动,结合科学猜想和实验探究，逐步建立“磁感应强度”这个比较抽象的概念,并在教学过程中注重提升学生的物理学科核心素养。

2 问题与探究

2.1 磁场的强弱怎么描述

学生已经知道磁体和通电导线周围存在磁场,但磁场看不见、摸不着,总之人的感官无法体验到磁场的存在,硬说它是一种客观存在的确难以让人信服。如何感受一个看不见、摸不着的磁场呢？那就要借助某种工具来探知磁场的存在,因为小磁针在磁场中会受到力的作用,所以学生很自然想到了小磁针这个工具,并依据其指向确立磁场的方向。这一步看似简单,实则不易，这是人类借助工具探测到了一种未知的客观存在——磁场,因此建立了磁场的物质观。

接下来学生就会很自然地提出“磁场既然有方向那有强弱之分吗”“磁场的强弱怎么描述”“磁场的强弱能用力的大小反映吗”等相关的问题。

为此笔者设计了“用两块不同磁铁分别吸相同哑铃”的演示实验,两位同学参与演示实验,用其中一块磁铁把哑铃吸了起来,用另一块却吸不起来。真实展现了磁铁周围的磁场是有强弱之分的,同时学生也发现可以用作用力的大小来初步反映磁场的强弱。小磁针在磁场中会受到力的作用,或许可以用小磁针的受力大小来反映磁场的强弱。但仔细研究却发现小磁针的两极在磁场中受力大小相等,方向相反,合力为零，看来小磁针不能担此重任。如果存在磁单极子就好了,可惜科学家至今尚未找到它。

本环节通过对磁场方向和强弱的分析,明确了磁场虽然看不见、摸不着,但它的确是一种客观存在的物质,使学生初步形成磁场的物质观和磁场与试探物的相互作用观,为接下来的探究奠定了基础。

2.2 通电导线在磁场中受到的力是怎样的

在放弃小磁针的情况下,想到“通电导线”也会受到磁场力作用。但“通电导线”是一种“线模型”,它有别于“点模型”,这就涉及导线放置的方向和受力的方向问题。学生猜测“导线和磁场方向间夹角不同、受力不同或相同”“导线受力方向沿着导线或垂直导线”,学生带着这些猜想进行定性的分组实验(如图1)。

图1

通过分组实验探究,学生发现一个事实：当通电导线和磁场垂直时,通电导线所受的磁场力比较大；当通电导线和磁场不垂直时,通电导线所受的磁场力要小一些。由于实验装置所限,学生无法得到定量的数据,也无法调整到磁场和通电导线平行,所以尚且不知道平行时的受力情况,但至少知道了通电导线放在同一个磁场中时受力不是一个定值。

为了克服上述装置的不足,笔者重新设计了如图2所示的实验装置,用细漆包线绕制有多个抽头的线圈,将它的下边放入磁场中,选用比较大的蹄形磁铁,确保蹄形磁铁的磁场能和通电导线转到任意夹角位置。线圈固定在力传感器的钩子上,用DIS系统可以定量测出通电导线与磁场成不同夹角时受力的大小。

图2

通过分析实验数据后发现：当通电导线和磁场平行时,通电导线所受的磁场力为零；当通电导线和磁场不平行时,通电导线所受的磁场力不为零；当通电导线和磁场垂直时,通电导线所受的磁场力最大。

为了方便起见,可以用通电导线和磁场垂直时的受力大小来反映磁感应强度的大小。

本环节先通过分组实验,让学生对磁场力的大小有了一个定性的了解,再通过师生配合完成改进后的演示实验，测出了定量的数据,使学生对磁场的“性格”有了更深刻的认识。本环节侧重于训练学生的动手能力,培养学生的质疑与创新、实验探究等能力。

2.3 导线受力能直接反映磁感应强度的大小吗

为了把磁场对通电导线的作用力充分表现出来,应该选择通电导线与磁场垂直时的受力大小反映磁感应强度的大小。但是通电导线长度不同时受力也相同吗？

使用DIS系统,测出新装置中当导线中电流(I=0.3A)一定时,通电导线受到的作用力F与导线长度L的数值。导线的长度可以取不同的匝数来改变。得到表1中的数据,并求出F与L的比值。

表1

当导线长度改变时,受到的磁场力也会改变,说明不能用受力直接反映磁感应强度的大小。但磁场力F与导线长度L的比值在误差允许范围内是相等的,也即F与L成正比。

同样道理,测出当导线的长度(L=7m)一定时,通电导线受到的作用力F与导线中的电流I的数值，导线中的电流由外电路控制，得到图3中的数据。

图3

DIS系统拥有强大的数据分析功能,对测得数据进行描点拟合。当电流改变时,导线受到的磁场力也会变化,说明不能用受力直接反映磁感应强度的大小。但磁场力F与导线中的电流I的比值在误差允许范围内是相等的,也即F与I成正比(如图4)。

图4

实验发现：在某一确定的磁场中,通电导线和磁场垂直时,改变电流会改变通电导线受到磁场力的大小,改变导线的长度会改变通电导线受到磁场力的大小。那说明不能用通电导线受到磁场力的大小来直接反映磁场的强弱。但却有另一个发现：磁场力F与电流I成正比,与导线长度L成正比,也即与IL的乘积成正比,写成等式即F=BIL。

本环节由几个学生配合，自主完成实验的操作和数据的测量。有了前面学生和老师的合作实验经历,这次学生们完全可以独立操作和分析,测出的数据也非常好，通过这个环节的训练，大大提高了学生的实验探究能力和数据分析能力。

3 教师的点拨

电流I一定时,力F与长度L成正比,说明B不随长度的变化而变化。长度L一定时,力F与电流I成正比,说明B不随电流的变化而变化。也即等式F=BIL中的B是一个与导线长度和电流大小无关的物理量。在同一个匀强磁场中这个B是相同的,但在不同的磁场中这个B一般是不同的,看来B就是表征磁场强弱的物理量。

当给出磁感应强度的定义式、单位后,让学生根据前面两次实验中测得的数据分别算出磁感应强度为110mT和109mT。这是通过两种不同实验条件得到的磁感应强度,在误差允许范围内相等,充分说明了这就是要寻找的描述磁场强弱的物理量——磁感应强度B。

如果有一种仪器能够直接测出磁感应强度,而且测出值与前面两个值在误差允许范围内相等,那就更令人信服了。此处用语言渲染一下氛围,顿一顿,吊足学生的胃口,然后再拿出特斯拉计(如图5),介绍这就是测量磁感应强度的仪器,并对特斯拉计的使用方法作一下说明。接着可以请两位学生使用特斯拉计测量上述实验中所用磁铁的磁感应强度,结果为110mT,这是多么令人兴奋的数据啊！再用特斯拉计测“磁铁吸哑铃”实验中两块不同条形磁铁磁极附近的磁感应强度,发现它们的磁感应强度差别很大,彻底弄清了引入实验中的疑惑,前后呼应,豁然开朗。

图5

最后给学生介绍一下特斯拉,他是一个大发明家,一生的专利有上千个。如果他申请交流电专利的话,只要过两三年就可以成为世界首富,但他放弃了交流电的专利，供世人无偿使用。

介绍特斯拉的事迹,除了让学生了解科学家的伟大贡献外,也让学生感受到科学家的人格魅力和社会责任感,旨在培养学生的科学态度与责任。

4 结语

在本节课中学生在教师的指引下，通过不断质疑，不断思考,通过三个问题层层推进,通过探究实验步步展开,弄清了描述磁场强弱的物理量——磁感应强度。课堂上使用DIS系统和数字特斯拉计,学生非常感兴趣,参与度非常高,达成了培养学生的物理学科核心素养的目标。

[1] 彭前程.积极探索基于核心素养理念下的物理教学[J].中学物理,2016,(2):1-2.

[2] 耿书娟.人性的物理不冷漠——浅谈物理教材中科学家的介绍[J].物理之友,2016,(12):29-30.

①本文系南通市教育科学“十二五”课题“科学猜想在高中物理教学中的应用研究”的成果之一。