探究实验在高中物理教学中的应用——以“通电导线在磁场中受到的力”为例

广东珠海市实验中学（519000） 钟明亚

物理是一门以实验为主的学科，实验在物理教学中占有非常重要的地位。传统实验教学往往只是为了提高学生学习的兴趣，演示实验现象，得出实验结论。传统实验教学通常是重实验结果，轻实验探究过程。为了落实新课程理念，高中物理教学可以采用探究式实验教学。教学中应多做实验，做真实验，具体可以多设计一些低成本的实验，让学生动手操作，帮助学生更好地理解物理本质、掌握关键知识。探究式实验教学需要教师提出问题，并引导学生动手实验，进而培养学生的科学思维和科学探究能力。

笔者在“通电导线在磁场中受到的力”第一课时（安培力的方向）的教学中，以物理学科核心素养为目标，以新课程理念为指导，借助探究式实验开展高中物理教学，实际教学中注意突出学生的主体地位。

根据新课程理念分析教材、分析学情。本节课可以设置6 个任务：（1）创设情境，以导引学；（2）分组实验，探究安培力的方向；（3）首尾呼应，分析引入时的实验；（4）演示电流之间的相互作用，以用促学；（5）知识迁移应用，培养爱国精神；（6）问题层层递进，引导学生深入思考，以改激学。

任务1：创设情境，以导引学

自制简易实验装置进行演示，如图1。用两个线圈、一个支架构成一个简易的平衡天平，将其中一个线圈置于磁场中并通电，原本平衡的天平会发生倾斜。这个环节利用生活中常见的实验器材搭建简易的实验装置，给学生创设真实情境，增加物理教学的趣味性，激发学生的学习兴趣和探究热情（科学态度与责任），从而引导学生进一步思考。

图1

教师总结：为了纪念安培在电磁学中的伟大成就，将通电导线在磁场中受到的力称为安培力。

任务2：分组实验，探究安培力的方向

教师设计问题（如表1），学生讨论回答后，教师点评。

表1 问题设计及其指向的素养目标

在探究安培力方向的环节中，可以放手让学生动手操作。请一位学生上讲台操作，改变磁场方向，观察简易天平的倾斜情况。再请一位学生上讲台操作，改变电流方向，观察简易天平的倾斜情况。此环节学生亲自动手实验，亲身感受安培力的方向与电流、磁场方向有关，体现了学生的主体地位，培养了学生多动手、勤思考的良好习惯。

在实验时需要的器材有学生电源、导线、磁铁等，如图2 所示。本实验有三个物理量，故而采用控制变量法来研究安培力的方向。

图2

为了锻炼学生分析和解决问题的能力，落实“教师主导，学生主体”的教育理念，本环节采用学生分组实验，4 人一组。学生小组合作组装实验仪器，观察并记录实验数据，填在表2 中。此环节可以培养学生与人合作、交流、共同完成任务的能力。

表2 分组实验数据记录

传统的高中物理教学中，当学生完成并展示实验结果后，会主动帮忙总结规律并给出左手定则。安培力方向的判断，对学生的空间思维能力要求较高，而学生在这方面比较薄弱。为了快速有效地突破这一难点，使学生能够看懂立体图，熟悉各种角度的侧视图和俯视图，可让学生亲自动手构建立体模型。

教师提前准备了两张卡纸放在桌上，学生先把两张卡纸交叉，构成简单的空间直角坐标系（如图3a），再用马克笔在卡纸上标出4 组实验中磁场、电流、安培力的方向，观察并总结三者之间的关系。图3b 是某学生根据数据记录表画出的关系图。学生分组讨论，派代表展示实验结果，并用自己的语言总结磁场、电流、安培力的方向。力的方向与电流方向是垂直的，也与磁场方向垂直，即安培力的方向与电流方向、磁场方向都垂直，如图3c。如何更加精确地判断安培力的方向呢？教师总结，安培力的方向可用左手定则判断：伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。

图3a

图3b

图3c

任务3：首尾呼应，分析引入时的实验

分析课前的演示实验（如图4a），引导学生构建物理模型，培养物理科学思维。此环节问题层层递进，以悟促学。不加磁场时，自制的简易天平为什么平衡？不加磁场时左右各挂着两个线圈，两侧重力相等，简易天平平衡，如图4b。当右侧加磁场时，简易天平为什么倾斜？引导学生研究有磁场一侧的线圈，从左往右看，构建简单的物理模型（如图4c）。如何判断安培力的方向？学生利用左手定则可以判断出安培力的方向。在重力和磁场力的作用下，线圈所受合力不等于重力，左右两侧受力不相等，简易天平倾斜。那只改变电流方向或者磁场方向时，简易天平又为什么会倾斜呢？学生自己分析回答：当只改变电流方向或者磁场方向时，安培力的方向变为反方向，简易天平反方向倾斜。

图4a

图4b

图4c

任务4：演示电流之间的相互作用，以用促学

通电直导线周围存在磁场，磁场对通电直导线有作用力，那么通电直导线之间也有相互作用。它们之间的相互作用是怎么样的呢？教师设计引导问题如表3所示。

表3 问题设计及其指向的素养目标

教师给学生时间思考猜测，然后拿出通电平行直导线相互作用演示器进行演示。学生先观察实验现象，验证他们的猜想是否正确，然后分组讨论，分析“同向电流相互吸引，异向电流相互排斥”的原因；最后展示所画的原理图，并解释现象的原因。假设一根通电导线不动，判断其周围的磁场，将另一根通电导线放入磁场中，判断它的受力情况。同理可以判断另外一根通电导线的受力情况。同向电流之间的相互作用力，如图5a；异向电流之间的相互作用力，如图5b。

图5a

图5b

任务5：知识迁移应用，培养爱国精神

电磁炮（如图6a）是利用电磁力产生动能推进弹丸的一种先进的动能杀伤武器，与传统大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，它是利用电磁系统中电磁场的作用力。

图6a

为了让学生更好地理解电磁炮，课堂上教师可播放中国海军电磁炮上舰测试视频，并截取视频中介绍电磁炮原理的图片（如图6b）。如图6b 所示，轨道由两条平行导轨组成，弹丸夹在两条导轨之间。两导轨接入电源，电流经一导轨流向弹丸再流向另一导轨，在磁场与电流相互作用下产生强大的安培力，进而推动弹丸，能达到很高的速度。让学生应用所学知识进行分析讨论，说说如何判断安培力的方向。

图6b

本环节介绍了电磁炮，让学生感受科学到技术的转化，有助于培养学生的社会责任感和爱国精神。学生用所学物理知识解释科技现象，学以致用，会更有学习成就感。

任务6：问题层层递进，引导学生深入思考，以改激学

不管是我们的课前演示实验，还是学生的分组实验，都是电流方向和磁场方向垂直的情况。如果电流方向和磁场方向不垂直，安培力的方向应该怎么判断呢？教师可引导学生分组讨论。当探究电流方向和磁场方向平行时，很多学生绞尽脑汁，不断摆弄他们的左手，可怎么也摆不出来。在教师的提示下，学生恍然大悟，知道了当电流方向和磁场方向平行时，导线不受安培力，因此不能摆出安培力的方向。如果电流方向和磁场方向既不平行也不垂直呢？经小组讨论后，学生展示：可以把电流方向分解，其中一个平行磁场方向，另一个垂直磁场方向。当电流方向和磁场方向平行时，不受安培力；而垂直磁场方向的电流，受到的安培力的方向可以用刚学的安培力方向判断。最后教师点评：当电流方向和磁场方向既不平行也不垂直时，也可以直接用左手定则判断，让磁感线从掌心进入即可，不需要垂直掌心。通过不断思考，学生加深了对左手定则的理解。

本节课的教学设计，注重物理学科核心素养的培养。通过观察、探究、实验、分析等方式，培养学生的科学思维和科学探究能力，把以前的“学生被动学”变成“学生主动学”。学生自己动手、动脑，自主讨论，分析研究规律、认识规律，进而体会学习的乐趣，真正让物理学科核心素养目标落地。