在物理文化的浸润中探究电与磁的联系

黄皓燕 夏广平

(南京市金陵中学，江苏 南京 210005)

物理文化是指古代哲学家、近代物理学家和现代物理研究者在研究过程中逐步创造的物理知识体系、观念形态、思维方法、价值标准的总和.

以物理文化的视角去研究高中物理教学，将进一步凸显物理学科的本质，展现物理学科的文化价值.以物理文化的视角进行高中物理教学，将人文精神、思想方法提升到与知识技能同样重要的位置，让物理学科不仅是一个知识体系，更是一个文化体系，更有利于提高学生素养.

2017年新一轮基础教育课程改革中，“核心素养”已成为中心热点，成为深化基础教育课程改革、落实素质教育目标的关键要素.对“核心素养”的深入关注，必将进一步引导教师更深入的把握物理学科的文化本质，达成学生的全面发展教育.本文以“磁现象与磁场”教学设计为例，尝试从物理文化的视角进行教学设计，让学生在物理文化的熏陶中了解电与磁的联系，学习科学探究的方法，发展思维能力、质疑精神，提升物理核心素养.

1 回顾司南的历史，引出课题，激发学生的民族自豪感

设计思路：通过司南模型的实体演示，回顾我国古代对磁性的研究，说明指南针是我国的四大发明之一，指南针的发明为世界的航海业做出了巨大的贡献及今人对司南模型的再塑.引出课题，同时激发学生们的民族自豪感.

图1 司南模型

教师：展示司南模型(如图1).同学们，这是什么？有什么作用？

学生1：战国时期的司南，可以查看是否有矿藏.因为司南有磁性.

学生2：司南更多的是用于定向.

历史1：据《古矿录》记载，司南最早出现于战国时期的磁山一带.《韩非子》中就有:“先王立司南以端朝夕”.

公元1世纪初，东汉王充在《论衡》一书中描述 “司南之杓，投之于地，其柢指南”.

演示：司南的指南作用.

图2 司南模型2

教师：我们现在看到的司南是20世纪根据古籍记载制作的司南复原模型.如图2是利用小葫芦瓢和水碗复原的“司南”.

指南针是我国的四大发明之一，指南针的发明为世界的航海业做出了巨大的贡献.

2 介绍科学家研究电与磁关系的历程，引导学生学习科学探究的一般步骤，有效建构科学本质观

设计思路：

(1) 18世纪及19世纪初科学家研究电与磁关系的过程漫长而曲折，通过回顾奥斯特研究电流磁效应的曲折经历，引导学生们学习科学探究的一般过程，学习科学研究的方法.

(2) 通过学习奥斯特发现电流磁效应实验失败与成功的实验过程，学习奥斯特对科学研究的执着追求.知道人类对电磁的认识经历了循序渐进、不断探索的过程.

(3) 介绍奥斯特发表研究成果的经过，通过适当地讨论与明示，了解科学知识的本质及科学探究的本质，有效建构学生的科学本质观.激发学生科学探究的激情.

问题1：电与磁之间如此相似，那么电与磁有没有联系?

物理学史1.

1731年，一名英国商人发现，雷电过后，他的一箱刀叉竟然有了磁性.

1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电能使缝衣针磁化.……

然而，18世纪结束之际，电学达到的最高成绩就是库伦定律.库伦(1736—1806)、托马斯·杨(1773—1829)、安培(1775—1836)等物理学家经过很长时间的实验研究，都相信电与磁没有联系.

18世纪后期，德国掀起了自然哲学思潮，认为自然界的各种运动是相互联系并相互转化的……

物理学史2.

19世纪开始了，有一位自然哲学的追随者，丹麦物理学家奥斯特，他坚信电和磁之间存在某种联系.电和热有联系、电和光有联系，电与磁也应该也有联系.

总结奥斯特进行科学探究的步骤：① 提出问题：电和磁有联系吗？② 猜想与假设：电流对磁体有力的作用.③ 制定计划与设计实验.④ 进行实验与收集证据.⑤ 分析与论证(反思).

奥斯特设计了实验，并进行实验.然而，实验都失败了.

反思：实验失败的可能原因？

当时人们见到的力都沿着物体连线的方向，即“纵向力”.所以他一直将小磁针放置在通电导线的延长线上(如图3所示)，观察磁极是否受到力的作用.

图3

1819年，他有了一个灵感，电流的磁效应可能不在电流流动的方向上，也许是“横向力”，然而实验还是没有成功.

图4

物理学史3.

1820年4月，在一次讲演快结束的时候，奥斯特抱着试试看的心情又做了一次实验.他把一条非常细的铂导线沿南北方向上放在一根小磁针上方，如图4所示.接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下.

思考：导线为什么南北方向放置？

奥斯特惊喜万分，又反复实验，3个月后发表论文宣布发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系.开创了电磁学的新纪元.

为什么要反复实验？为什么要发表？

明示：科学需要证据，在相同条件下，科学知识需要可以重复验证.新知识必须明确和公开地表达.

问题2： 听了19世纪科学家的探究电与磁联系的经历，同学们有何感想？

人类对电磁的认识经历了循序渐进、不断探索的过程.(知识的暂定性、发展性)

科学知识以观察和经验为基础，需要逻辑和合理的想象(猜想).

科学不仰仗权威，科学探究的动力在于对以往科学知识的质疑.

3 介绍安培对磁现象的研究，激发学生对科学的热爱、对科学事业的执着

问题3： 1820年7月，奥斯特发表论文宣布发现了电流的磁效应. 同学们想象一下，当时的科学界可能会出现什么情况？

学生：当时的科学界都非常震撼，那么多的著名的科学家都认为电和磁没有关系，他坚持自己的信念，坚持实验，终于证明了电流对磁体有力的作用.

祝贺奥斯特取得的成就……

物理学史4.

法国物理学家安培第二天就重复了奥斯特的实验……

1周后，他提交论文，提出了磁针转动方向与电流方向的关系

2周后，他提交论文，讨论了平行载流导线之间的作用力问题.

1820年底，安培提出了著名的安培定律.

其实，在安培之前，还没有电流的概念……

教师：了解了这些物理学史，请同学们谈谈感受？

学生1：奥斯特做出了成就，安培立即继续研究下去，并在很短的时间内取得得巨大的成就.

学生2：学习安培获取信息的能力，学习安培对科学探究的执着.……

教师：所以本章后面的学习，都是学习安培的研究成果.

明示： 我们要学习安培对科学的热爱、对科学探究的执着.学习安培把握机遇、 迅速行动起来.相信科学是在不断发展变化的.

4 4个探究实验，探究磁体与磁体、磁体与电流、电流与电流间是否有力的作用，培养学生的实证意识及探究能力

学生自主探究1：磁极间的作用力的特点(如图5所示).

实验结论1：同名磁极相互排斥， 异名磁极相互吸引.

学生自主探究2： 奥斯特实验.

在相同条件下，科学知识需要可以重复验证.请同学们自己做一下奥斯特当年做过的实验，如图6所示.

图5 研究磁极间的作用

通过观察实验现象(多次重复实验)，学生得出实验结论.

实验结论2：电流对磁体有力的作用.

实验探究3：电流对电流是否有力的作用.

如图7所示，观察导体棒间的作用力.

(1)两根平行的导体棒，通同向电流电流，观察导体棒间的作用力.

(2)两根平行的导体棒，通反向电流电流，观察导体棒间的作用力.

实验结论3：同向电流相互吸引，异向电流相互排斥.电流对电流有力的作用.

实验探究4：磁体对电流是否有力的作用.

图7 研究电流间的作用

(1) 介绍实验装置(图8)，导线在异名磁极间，同时导线与较灵敏的指针相连.开始时指针居中.

(2) 接通电源，导线中有电流通过，观察发生的现象，并分析现象产生的原因.

学生：指针偏转，说明电流受到了磁体力的作用.

实验结论4：磁体对电流有力的作用.

图8 研究磁体对电流的作用

5 将电场与磁场进行类比，学习自然界的各种运动是相互联系的物理观念，通过适当的问题引领学生的探究

问题1： 磁体有南极和北极二个极，大家联想到自然界里的什么？

学生：正电荷(+)、负电荷(-).

引导学生一起分析电现象和磁现象相似性.

同种电荷相互(排斥)，异种电荷相互(吸引).

问题2： 那么磁极间也有作用力吗？

探究实验1：磁极间的作用力.

类比2：磁体与磁体间、磁体与电流间、电路与电流间作用力的类比.

图9

学生在完成重做奥斯特实验后，如图9，引导学生总结：磁体与磁体间有作用力，电流对磁体有作用力.根据自然界的运动是普遍联系(对称性)的观念，我们很自然提出下列问题

问题3： 磁体对电流有作用力吗？

问题4： 电流对电流有作用力吗？

进行探究实验3、探究实验4.

类比3：磁体与电流间作用力与电荷间作用力的类比.

在4个探究实验结束后，学生总结得出磁体与磁体间、磁体与电流间、电流与电流间均有作用力.为了引入磁场的概念，可以引导学生将磁体与电流间作用力与电荷间作用力进行类比.可以提出下列问题.

问题5： 磁体与磁体、磁体与电流、电流与电流之间有相互作用，它们并没有接触，他们之间的作用是怎么产生的呢？

教师：如图10所示，同学们回顾一下，两个电荷间有作用力吗？它们相互接触吗？它们间的作用力是如何产生的？

图10 电荷间的作用

学生1：电荷并没有相互接触，他们间的作用力是通过电场产生的.

学生2：磁体、电流间的作用力也是通过磁场进行的.

由此引入磁场的概念.再通过磁场与电场的类比(如表1)，进一步理解磁场的产生与磁场的基本特性.

类比4：将地磁场与条形磁体类比.

如图11，通过动画演示：小磁针静止时，N极总是指向地球的北极.

表1 磁场与电场的类比

图11 地磁场

教师：为什么小磁针静止时，N极总是指向地球的北极？请同学们讨论.

学生：地球周围有磁场，地球本身就是一个巨大的磁体.

教师：地磁场有什么特点？

与学生一起讨论，得出地磁场的特点，地磁场周围的磁感线与条形磁铁类似.

地磁场南极(S极)：在地理北极附近.

地磁场北极(N极)：在地理南极附近.

播放关于地球磁场的影片，介绍地磁场产生的可能原因及地磁场的简单应用.

设计思路：通过动画演示这种形象生动的教学形式，让学生认识地磁场、地磁场两级、以及磁偏角等概念.通过播放地球磁场的教学片，让学生了解科技最前言的最新科技成果，激发学生热爱物理、探究规律的兴趣.