“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”演示實驗的分析與定量化改進

摘 要：普通高中課程標準實驗教科書·物理（選修3-1）（人教版）“磁感應(yīng)強度”一節(jié)中，通過演示實驗研究了通電導(dǎo)線所受的安培力大小與哪些因素有關(guān)，以此來尋找描述磁場強弱的物理量——磁感應(yīng)強度。

關(guān)鍵詞：物理實驗；通電導(dǎo)線；反思

做好這個實驗是本節(jié)教學的重點，它不但培養(yǎng)了學生的實驗觀察能力和邏輯推理能力，而且再次熟悉了控制變量法，使學生在與用電場強度描述電場的對比下深入了解了磁感應(yīng)強度的意義。本演示實驗在教學中雖然能夠說明部分問題，但是較為粗略，而且實驗操作較為困難，實驗效果也難以達到預(yù)期。作為本節(jié)的重點內(nèi)容，此處應(yīng)由學生通過獨立實驗進行探究，以進行課堂教學突破。

一、對教材實驗的分析

圖1為教材中“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”的實驗裝置。三塊相同的蹄形磁鐵并排放置，磁極間的磁場認為是勻強磁場，將一根通電導(dǎo)線水平懸掛在磁極間。當導(dǎo)線中通有電流時，導(dǎo)線將在磁場的作用下擺起一定角度，用擺起角度的大小來比較導(dǎo)線受力的大小。通過控制變量法來確定通電導(dǎo)線受力的影響因素。先保持導(dǎo)線通電部分長度不變，通過外部電路改變電流的大??；然后保持電流不變，改變導(dǎo)線接入部分的長度，觀察這兩個因素對導(dǎo)線受力的影響。

在實際教學中，本演示實驗在操作和實驗效果上存在如下問題：

（1）三塊磁鐵并列放置到圖1所示位置的難度較大。磁鐵會因為相互排斥而發(fā)生偏轉(zhuǎn)（特別是相互靠近的兩個磁極間），導(dǎo)致產(chǎn)生的磁場不能看成勻強磁場。

（2）該實驗為教師演示實驗。因此學生對實驗操作過程和對實驗現(xiàn)象的觀察都存在一定難度。不利于學生由感性觀察到理性總結(jié)的認識。

（3）在所控制的影響因素中，無法達成對磁場強度（B）、通電導(dǎo)線受力（F）和導(dǎo)線中電流強度（I）三個因素的逐一精確控制，因此在實驗的完成性和系統(tǒng)性方面有所欠缺，這也是本實驗的缺憾之一。

（4）實驗中通過導(dǎo)線擺起的角度來表示導(dǎo)線受力的大小，這種方式只是粗略的定性分析，無法通過實驗得出數(shù)據(jù)進行精確地定量分析。只通過對實驗現(xiàn)象的定性分析就得到公式F=BIL略顯牽強，雖然教材中有“分析了很多實驗事實”的鋪墊，但是對于學生而言，記憶的因素大于理解的因素，講授的因素大于發(fā)現(xiàn)的因素，因此，這會成為教學中的“短板”，也會成為學生理解上的“真空”。

二、新實驗裝置介紹

針對現(xiàn)有實驗裝置中存在的問題和不足之處，筆者對該演示實驗進行了改進，設(shè)計制作了“探究影響安培力因素實驗儀”。在教學中筆者使用改進后的實驗裝置，不但學生課堂參與的積極性得到大幅提高，而且實驗效果非常顯著。

圖2為筆者設(shè)計的“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”的實驗裝置結(jié)構(gòu)圖，圖3為實物圖。該裝置主要由支架和底座、條形強磁鐵、U形金屬線、帶刻度玻璃管、輕質(zhì)彈簧和細絲線構(gòu)成。各構(gòu)成部分介紹如下：

支架和底座由塑料、木材或者不銹鋼等非磁性物質(zhì)制作。底座為正方形，支架為長方體，固定在底座后部。在支架頂部處安裝帶鐵夾的固定架以固定玻璃管，距支架頂部1/3處固定一鐵質(zhì)U型金屬板，可以使強磁鐵吸附其上。兩側(cè)各安裝有紅黑接線柱1個，接線柱用“十字形”的梅花螺絲固定，并將螺絲的凹槽作為U形金屬線的旋轉(zhuǎn)凹槽，在一側(cè)的接線柱和螺絲之間設(shè)置彈簧片制作的觸控開關(guān)。U形金屬線用銅絲等非鐵磁性物質(zhì)制作，直徑1 mm，長度由強條形磁鐵確定（筆者使用的是長為20 mm銅絲）。強條形磁鐵可以上網(wǎng)購買，玻璃管上的刻度可以用透明刻度貼標識，輕質(zhì)彈簧和細絲線等可以在實驗室找到。

三、儀器原理及使用

用U型金屬框代替通電導(dǎo)線，當其通電后，在強磁鐵周圍的勻強磁場（U型金屬框距離條形磁鐵較近，故可視為勻強磁場）中由于受到安培力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時，通過細絲線拉動輕質(zhì)彈簧，以彈簧的形變量（通過玻璃管上的刻度讀出）來表示安培力的大小。并且可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器和干電池來改變電流的大小和方向，通過改變磁鐵數(shù)量來改變磁場的強弱和方向以及導(dǎo)線的有效長度。其操作步驟如圖4：

（1）按照圖4所示電路圖連接電路（開關(guān)斷開，變阻器調(diào)節(jié)到阻值最大位置）。

（2）調(diào)節(jié)玻璃管的位置，使金屬框同磁鐵上的標記線在同一水平面內(nèi)，記錄此時彈簧指針的初始位置x0。

（3）閉合觸控開關(guān)，調(diào)節(jié)玻璃管的位置，使金屬框同磁鐵上的標記線在同一水平面內(nèi)，記錄此時的電流值I1和彈簧指針位置x1。

（4）從大到小改變滑動變阻器阻值，重復(fù)（3）中步驟，記錄多組電流值和指針位置。

（5）斷開開關(guān)，將滑動變阻器阻值調(diào)至最大。

（6）取下橫排的兩塊磁鐵（剩余2塊），重復(fù)步驟（3），記錄多組電流值和指針位置。

（7）重復(fù)步驟（5），取下縱排的兩塊磁鐵（剩余2塊），重復(fù)步驟（3），記錄多組電流值和指針位置。

（8）進行實驗梳理的處理與分析。

（9）完成實驗，整理實驗器材。

四、實驗裝置的優(yōu)點

1.將定性實驗轉(zhuǎn)換為定量實驗

教材中的實驗為定性或者半定量實驗。導(dǎo)線中通過電流，使得導(dǎo)線受到磁場力的作用而擺起一定角度，通過擺起角度的大小比較其受力大小，從而說明在一定條件下，電流與磁場力成正比，這個結(jié)論顯得有些“倉促”，雖然電流越大，擺起的角度越大，受力也就越大，這只能說明他們之間的正相關(guān)關(guān)系，而不能定量地說明電流的大小與磁場力成正比，況且“擺起的角度”作為“中介量”也對學生的理解產(chǎn)生了干擾。改進后的實驗直接利用彈簧的形變量來表示力的大小，類比于彈簧測力計，在學生的接受和理解上更有優(yōu)勢（胡克定律是學生非常熟悉的物理規(guī)律），而且通過記錄電流表讀數(shù)與彈簧形變量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)來分析一定條件下，電流大小與磁場力的正比關(guān)系，一目了然。

2.實驗設(shè)計簡單巧妙

首先，本實驗的原理簡單，教學實踐證明，該實驗并不比教材中的實驗復(fù)雜，學生在初次觀察儀器后均能了解其實驗原理和操作過程，因此課堂實驗的效果顯著。其次，實驗器材均選用日常生活和一般實驗室中常見的物品，制作簡便。若將其改為“實驗盒”，則使用更加方便。最后，設(shè)計中巧妙地將安培力的大小和方向同彈簧的形變量結(jié)合起來，利用學生已有的、較為熟悉的知識——胡克定律，使得學生在理解上更加輕松，雖然有“中介量”——彈簧的形變量，但是并不會對學生理解電流與力的關(guān)系造成干擾。

3.數(shù)據(jù)處理方式多樣直觀

本實驗通過控制變量以表格的形式記錄多項數(shù)據(jù)：（1）磁場強弱和導(dǎo)線有效長度不變，改變電流大?。唬?）磁場強度不變，導(dǎo)線有效長度減半，改變電流大??；（3）磁場強度減半，導(dǎo)線有效長度不變，改變電流大小。通過表格內(nèi)和表格間的數(shù)據(jù)對比，學生很快就能發(fā)現(xiàn)其蘊含的規(guī)律。更值得關(guān)注的是用I-x圖象（電流—形變量圖象）進行數(shù)據(jù)處理。將三個表格中的數(shù)據(jù)在同一個坐標系中通過描點的形式作出其I-x圖象，三個圖象均為傾斜的直線，（1）（2）兩條直線重合（斜率相同），（3）的斜率與（1）（2）兩條不同，這樣就自然而然地引出問題“為什么（1）（2）兩條直線相重合？”“為什么（3）和另外兩條的斜率不同？”學生通過觀察和思考，很容易就發(fā)現(xiàn)了這與磁場的強弱有關(guān)，從而引入磁感應(yīng)強度，并且歸納出表示磁感應(yīng)強度的表達式。因此對本實驗的數(shù)據(jù)利用圖象處理這一大亮點，不僅鍛煉了學生觀察能力和數(shù)據(jù)處理能力，還培養(yǎng)了學生的利用圖像處理實驗意識（有“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”實驗中利用U-I圖像處理數(shù)據(jù)的知識基礎(chǔ)）。本實驗的測量結(jié)果比較精確，也是優(yōu)勢之一。

4.本實驗改變本節(jié)內(nèi)容的學習方式

教材中實驗是以教師演示的方式呈現(xiàn)，本節(jié)內(nèi)容在傳統(tǒng)教學中，往往是“教師做，學生看”，學生處于被動地位，對于電磁學中非常重要的物理量磁感應(yīng)強度的探究，沒有發(fā)揮學生的能動性去積極參與課堂，未免不是一件憾事。本實驗的設(shè)計，把“演示實驗”轉(zhuǎn)換為“分組實驗”，改變了學生的學習方式——由“要我學”變?yōu)椤拔乙獙W”；由“被動”變?yōu)椤爸鲃印?；由“聽和記”變?yōu)椤白龊退肌保伞爸弊優(yōu)椤耙伞?。提升了學生參與課堂的積極性，讓學生帶著問題進行實驗探究，在探究的過程中再發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，這才能使學生獲得長足的發(fā)展。正如明代思想家、教育家陳獻章所言“學貴有疑，小疑則小進，大疑則大進。疑者，覺悟之機也。一番覺悟，一番長進”。

五、反思

實驗是學生獲得知識的重要手段，也是物理學習的重要方法，它不僅能為概念的形成、規(guī)律的認識提供必要的感性材料，還能夠通過實驗的新穎和現(xiàn)象的奇妙激發(fā)學生的求知欲，引起學生探索的興趣。實驗教學的成功與否直接影響課堂的效果。影響課堂實驗效果的因素很多，但首要的是能夠通過簡單的實驗達到最優(yōu)的實驗效果。換而言之，既要求實驗要科學、可行、快捷、高效，有明確的實驗?zāi)繕撕驮恚忠獌?nèi)涵豐富，能夠充分發(fā)揮學生思維的深度和廣度。因此，作為物理教師，不僅要對教材中的實驗進行研究分析，還要能夠依據(jù)其中存在的問題和學生的需求進行實驗改進與創(chuàng)新。這種經(jīng)過改進的實驗裝置，不僅能讓學生在對比中親眼目睹或自身感受到物理現(xiàn)象的效果，對學生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)也有深遠的影響。這就需要教師平時多動腦筋，多探索。

參考文獻：

陳燕.巧設(shè)實驗情況進行有效教學：通電導(dǎo)線在磁場中受到的力.物理教學探討，2012（2）.

作者簡介：王聿奎，男，出生于1980年4月，學歷：碩士研究生，就職于江蘇省海州高級中學，研究方向：物理。