自制演示实验 回归探索本源——探究磁感应强度展示课回眸

戚明亮

(江苏省张家港市暨阳高级中学 215600)

一、问题的提出

物理选修3-1(人民教育出版社2010年4月第三版)第三章磁场“磁感应强度”一节，磁感应强度概念是电磁学的基本概念之一，是本章的重点.同时，磁场对磁极和电流的作用力(本质上是磁场对运动电荷的作用力)远比电场对电荷的作用力复杂，引导学生发现描述磁场强弱和方向的物理量是本章教学的一个难点，利用演示实验加强直观来说明问题就显得非常重要.教材演示实验是通过一段通电直导线受到的安培力来寻找影响通电导线受力的因素，进而发现描述磁场强弱的物理量—磁感应强度.其实验装置演示安培力大小与电流强度及导体在磁场中有效长度之间的关系时，有如下不足：(1)U型磁铁磁性弱，导体棒中通以小电流，所受安培力较小，不易测量.(2)导体棒通电后偏角太小，受力后会摆动不易稳定，难比较安培力大小.(3)实验结论是定性的，没有定量测量，探究中概念的形成过程不突出.

本文是笔者以自制演示实验教具来探究磁感应强度的一节课，在市高中物理教学课改中展示，获得较高评价.

二、实验准备

1.器材的准备

长方形强磁铁2块，漆包线一卷，弹簧秤1个(量程最大5N)，厚木板一块

2.器材的制作

(1)在厚木板两侧各开一道深约2cm凹槽，宽度与强磁铁厚度同等，两凹槽相互平行.

(2)将两块强磁铁分别嵌入凹槽固定，如图1所示.

(3)将漆包线绕制成个300匝线圈(中间有100、200匝抽头).

(4)将弹簧秤固定于铁架台上，线圈悬挂于弹簧秤下，置于磁铁中间，如图2所示.

三、案例呈现

1.设计情境，提出课题

演示实验：马蹄形、条形磁铁和小磁铁，吸引大头针和凳子

视频：播放磁悬浮列车视频

设问：(1)上述现象属于物理学的何种现象？(2)现象的本质是什么现象？(3)由上述得到什么结论？(4)引入磁场有强弱.

【设计意图】增加感性素材，引发学生思考是科学学科教学的基本原则之一，同时实验能增强学习兴趣，使学生集中注意力，感知磁场的客观存在和磁场的基本性质.

从磁铁吸引大头针到学生坐的凳子，再到磁悬浮列车，逐步放大磁现象，学生形成了明显的感官对比，发现磁场有强弱.通过预设问题设计，透过(磁)现象，看到本质(力)，建立磁与力的联系，再次明确了磁场的基本性质.同时也使学生自然联想到需要有描述磁场强弱的物理量—磁感应强度.

2.类比推理，引发冲突

设问：(1)有现有的物理量来描述磁场的强弱？(2)有以前经验可以借鉴吗？(类比电场强度的引入)

演示实验：小磁针在磁铁周围的不同位置的指向—磁感应强度的方向

设问：(1)能否用小磁针N极受力大小来反映磁场的强弱呢？(2)如果不合适，选取谁作为“侦察兵”？( 电流元？)(3)选取的通电导线有要求吗？(回顾试探电荷要求)

【设计意图】根据预设的问题，让学生根据已有的经验进行推理，在推理的基础上发现矛盾，再引导学生深入讨论，促使学生积极思考，逐步培养学生自己发现问题、分析问题和解决问题的能力.从学生已学过电场强度的定义，自然推理得到测量N极的受力，同时学生阅读课本发现N极不能单独存在，不能量化测量受力大小，也就无法确定磁感应强度，在认知冲突下，学生产生了强烈的求知欲望，希望找到问题的答案，此时再引导学生深入讨论甚至争论，最终从研究小磁针N极受力到研究电流元受力直至研究磁场对通电导线的作用力大小.

3.启发分析，寻找相关量

设问：磁场对通电导线的作用力大小跟哪些因素有关呢？

猜想：(1)磁场强弱有关(一定);(2)电流的大小有关;(3)导线的长度有关;(4)导线与磁场方向有关(垂直).

【设计意图】科学探究源于问题，始于科学猜想.科学猜想，需要建立在研究者对问题已经形成的初步认识和理解的基础上，而且科学猜想还将为进一步探索指明方向.教学中，笔者对学生提出的每一个观点和认识都予以充分的重视，同时要求对所提出的要求，结合已有实验经验和认识对问题进行解释，由此总结分析得到磁场对通电导线的作用力大小跟哪些因素有关.

4.实验探究，寻求规律

设问：分析可知，磁场对通电导线作用力的大小与磁场强弱、电流大小、导线长度、导线与磁场方向等有关，如何研究它们之间的关系呢？

生：可以仿照探究加速度与力、质量的关系这个实验的思想方法——控制变量法

(1)介绍如图2所示的装置:a)一个300匝线圈(中间有100、200匝抽头)，接不同的匝数相当于改变导线的长度;b)弹簧秤量程最大5N,0.1N/格;c)两块磁铁，磁铁间磁场大小可认为大小、方向处处相同.

(2)操作步骤:a)在不通电下，记录弹簧秤示数(线圈重力)F1;b)通电后记录弹簧秤示数F2，则磁场对通电导线作用力F=F2-F1.

(3)实验探究:a)保持磁场与导线框垂直，L不变(300匝)，改变电流,记录数据与处理如图3所示.

长度不变,改变电流大小I(mA)00.20.40.60.81F(N)00.20.40.580.81

b)保持磁场与导线框垂直，I不变(300匝)，改变,记录数据与处理如图4所示.

电流不变(0.6 mA),改变长度(匝数)大小长度0100200300F(N)00.20.380.58

引导学生分析归纳：通电导线在磁场中受到的磁场力的大小，既与导线的长度L成正比，与导线中的电流I也成正比，即与I和L的乘积成正比，用公式表示为F∝IL，引入比例系数B，写成等式为：F=BIL.

5.方法类比，科学诠释

设问：为何这一比值可以用来描述磁场，怎样科学诠释比值定义法？

【设计意图】虽然我们已经有了定义电场强度的方法，似乎可以顺理成章的得到磁感应强度的定义，但还不能从本质上理解，这是本节思维和方法提炼的最大的难点，因此需要借助教师的点拨，理解采用“比”操作的目的，从而掌握比值定义法的科学内涵.

实验是物理学发展的基础，物理教学要努力多做实验，老师要积极思考，除了要在备课时自己动手完成实验外，一定要针对实验多思考教材实验的不足，充分联系学校实际，学生生活实际，开发实验，拓展实验的教学功能.可以从实验原理、实验器材、数据测量、便利观察等角度思考实验的改进.结合物理教学中的难点，努力开发新实验.另外，要分析如何把验证性实验提升为探索性实验，验证性实验是对知识的正确与否加以验证，虽然利于巩固和加深对基本规律和基本原理的认识，但是，缺少了问题的发现，缺少了探究的过程，因此我们要有意识的创设科学探究的环境，充分利用身边的各种资源，让学生在实践环境中感知和体验，尤其用学生熟悉的材料制作的实验仪器，不仅容易克服学生对科学实验的畏难情绪，而且能减少学生对科学概念的思维障碍，利于培养学生的动手能力，培养学生敏锐的洞察能力，从而更加透彻的理解知识.