淺談左手定則教學

朱具德

(江蘇省新沂市第一中學,江蘇　新沂　221400)

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淺談左手定則教學

朱具德

(江蘇省新沂市第一中學,江蘇新沂221400)

本文就教師行為對學生小組合作探索效度影響的角度,從正反兩個方面談《磁場對通電導線的作用力》中左手定則的教學.

安培力；左手定則;教師行為;合作效度

物理課程改革大力提倡學生自主學習、合作探索,要求轉變學生的學習方式,教師要成為學生學習的促進者、合作者,學習評價的指導者,學習潛能的開發者[1].筆者在市教研活動中聽了一節公開課《磁場對通電導線的作用力》,授課教師的教學設計、一言一行對學生合作探索的影響令人感觸頗深.

1　教學片斷

師(演示):實驗示意圖如圖1,合上電鍵,導線中就有如圖1所示的電流,仔細觀察導線的狀態有何變化？

圖1

生:導線發生了偏移,向右偏移.

師:導線為何往右偏？

生:它受到了向右的力.

師:請大家猜一猜這個力的方向與哪些因素有關？

生1:與磁場有關.

生2:還與電流有關.

師:很好！與這些因素到底有什么樣的關系？下面我們就圖1中“電流方向與磁場方向垂直”這種特殊情況做進一步研究.

師:這是一個量與兩個量之間的關系,怎么研究？

生:利用控制變量法.

師:好！比如控制磁場方向不變,改變電流的方向.按照這種控制,有幾種實驗組合呢？

生(討論):控制磁場方向不變,改變電流方向有兩種情況;控制電流方向不變,改變磁場方向也有兩種.一共有四種組合.

師:(展示)這四種組合如圖2所示,請每一組同學利用桌上的儀器研究安培力的方向與磁場及電流方向之間的關系(將全班分為四組,每組研究一種情況).

圖2

生(實驗,匯報):①中安培力向右,②中安培力向左,③中安培力向左,④中安培力向右.

師(展示四種情況中安培力的方向如圖3所示):觀察①、②導體棒受到的安培力,說明了什么？

生:①和②兩種情況中磁場的方向相同,電流方向相反,通電導體棒受到的安培力方向相反,這說明電流的方向會影響安培力的方向.

師:再看①和③中安培力,這又說明了什么？

圖3

生:在①和③中,電流的方向都是垂直紙面向外的,磁場的方向改變,安培力方向也改變,這又說明磁場的方向也會影響安培力的方向.

師:可見剛才大家的猜測是正確的！它們到底有怎樣的關系？(學生觀察，不得要領.)

師:好像不太直觀,下面請大家隨我一起用桌上的小竹竿把它們的方向擺出來再思考:拿出盒子里的橡皮泥和三根竹竿,黑色竹竿代表磁場,尖端表示磁場方向,黃色竹竿代表電流方向,紅色竹竿代表安培力方向.怎么擺？在第一種情況中,磁場方向向下——把黑色竹竿插在橡皮泥上,尖端向下;電流垂直于黑板面向外流出——黃色竹竿尖端向外也插在橡皮泥上;安培力向左——紅色尖端向左也插在橡皮泥上.三者的方向關系就呈現出來了,現在請大家模仿，把你們組剛才所做的實驗情況把三者的方向也用竹竿擺出來.(小組學生合作嘗試.)

師:請每一組推薦一名代表把你們擺好的竹竿拿上講臺展示,依次排開(如圖4).

圖4

師:大家擺出了四種情況,它們的相對位置是否一樣？

生:不一樣！

師:真的不一樣嗎？

生:……

師:請第一種情況的同學手里的竹竿不要動,其他三種情況的同學試一試,經過轉動,能不能變得和第一種情況一樣？(各個組的同學可以上去幫忙，學生邊討論邊試探轉動竹竿.)

生(第二組):一樣！因為黑色竹竿的位置和①中一樣,保持其位置不變,以它為軸使紅桿和黃桿在水平面內轉動,紅桿可先向里轉90°,再向右轉90°,結果和①相同.

生(第三組):一樣！

生(第四組):一樣！

師:居然都一樣！這說明了什么？

生:這說明所有這四種情況下安培力的方向與磁場、電流的方向其相對位置關系都相同,只有一種情況,像圖1那樣.

圖5

師:既然都相同且只有一種,所以這一種“結構”關系就是我們苦苦尋找的安培力的方向與磁場、電流的方向應遵循的規律！規律終于找到了,利用它我們就可以判斷安培力的方向啦.如圖5所示，通電導線受到的安培力方向如何？

生(手中拿著圖4①中插成的小竹竿邊旋轉邊回答):電流方向是流出來的,磁場方向向右,黃棒不動,以黃棒為軸.將黑棒逆時針轉90°,這時紅棒向上,說明安培力向上.

師:做的很好.如果以后每次我們分析類似問題時,都拿著竹竿插來插去,轉來轉去,方便嗎？

生:不方便.

師:在此基礎上能否尋找更好的方法呢？之前學習本章第二節時我們是怎樣確定電流周圍磁場方向的？

生:用安培定則,也就是右手螺旋定則.

師:那么今天大家能不能也用手把它們深藏的關系挖掘出來？(學生小組討論.)

生1:用右手,四指代表磁場方向,然后調整手掌,使四指向導體棒運動的方向彎曲,那么露出的大拇指指的方向就是電流方向.

師(懷疑):大拇指指向與電流方向一致嗎？再說四指伸直了就沒法彎曲了.

生2(不耐煩地):課本上不是說了嗎.

師:你告訴大家課本上是怎么說的？

生2:左手定則——伸開左手,使拇指與其余四個手指垂直,并且都與手掌在一個平面內;讓磁感線從掌心穿入,并使四指指向電流方向,這時拇指所指的方向就是通電直導線在磁場中所受安培力的方向[2].

師:我們可以直接用課本上教的方法——左手定則.

2　聽課感悟

2.1探究安培力方向——巧設情景,潤物無聲,喚醒學生探索源動力

教師首先將安培力、磁場、電流的方向用竹竿在空間展示出來,學生瞬間逝去的思維立刻又連續起來.真是“此時無聲勝有聲”,化無形為有形,由抽象到具體,此情此景怎能不激發學生的想象力！這不能不說是教師的創新.

接著一句“它們的相對位置是否一樣呢？”此言一出,下面立刻群情激奮,有的說不一樣,有的說不一定,為了證明自己的猜想對不對,事實勝于雄辯,馬上行動,于是幾只手轉來轉去,咦！和第一種一樣！也和第一種一樣！還和第一種一樣！啊,四種情況完全一樣,太神奇了！出乎所有學生所料,他們異常興奮,原來要找的規律就是這三根棒之間的關系！真如伽利略所說的那樣:物理規律往往是以最簡潔的形式表現出來.課堂氣氛跌宕起伏、空前熱烈,如此課堂效率怎能不高！由此可見教師的精妙點撥能夠喚起學生強烈的求知欲,這才是探究知識的源動力,何需教師的千言萬語.

2.2尋找左手定則——迷戀教材,錯失良機,可惜學生一片智慧火花

“幾種電流周圍的磁場由安培定則判斷”,教師這樣提示很好,可是從心理學角度來看,這似乎也給學生某種暗示:能不能也用右手把安培力的方向與磁場方向、電流方向聯系在一起呢？所以第一位同學通過討論說出了自己的猜想.其實這是學生智慧的火花、創造力的表現，不是嗎？如圖1所示,右手四指代表磁場方向向下,導體棒向右運動,若要四指向右彎曲,右手掌心必然要向右,然后彎曲四指,伸出的大拇指正好是電流方向.教師對此應大力表揚鼓勵并耐心引導.可預設過程如下:

師:也是右手螺旋,這種方法不錯,如果導體棒固定不動四指怎么彎曲了？

生:還向右彎曲,因為安培力向右.

師:那你剛才發現的定律如何修改？

生:四指向安培力方向彎曲.

師:很好.可我們探究的是安培力的方向,應當突出的是安培力,那大拇指代表誰更合適？

生:代表安培力.

師:如此一改,四指表示什么?請大家按照他的說法用右手做一做.并歸納總結規律.

生(動手模擬、討論):用右手四指代表電流方向,調整手掌,讓四指向磁場方向彎曲,則伸出的大拇指方向就是安培力的方向.

師:為了便于四指彎曲,調整后的手掌是怎么放在磁場中的？

生:掌心向著磁場方向,即讓磁感線從手掌背面穿過.

師:其實這種方法是大學物理要學習的矢量叉乘法則.大家能夠總結出來真是不簡單！(頓一頓)在物理學的發展歷程中,物理學家們或許為了防止人們在使用中與已有的安培定則(右手螺旋定則)發生混淆,或許為了更為簡單直觀，于是將右手改為左手,左手和右手是對稱的,原來右手在磁場中放置時磁感線從掌背穿過,改為左手其在磁場中怎么放？

生:讓磁感線從左手掌心穿過.

師:這就是左手定則.

可惜教師沒有明白學生的想法,于是他悻悻然、滿臉委屈地坐下,真是遺憾.其實只有立足于學生思維根源的、自然生成的知識才是真正的知識,才是有生命力的知識,這些知識才是發明創造的源泉.美國現行物理主流教材《物理：原理與問題》對這部分內容的編寫就是采用這位同學的方法.可見教師在設計、實施科學探究方案時務必要重視過程與方法,充分考慮探究歷程中出現的問題,不必拘泥局限于教材,否則會錯過不少“牛頓”、“愛迪生”.

3　結語

在物理學中,一些定律的發現、定則的建立是一個漫長的過程,有時經歷幾代人,絕非課堂上一、二十分鐘探究活動所能解決的.所以課堂上的科學探究旨在重演探究過程,正像匈牙利數學家波利亞所說的那樣:“在教一個學科的分支(或一個理論、一個概念)時,我們應該讓孩子重蹈人類思想發展中的那種最關鍵的步子,當然我們不應該讓他們重蹈過去的無數個錯誤,而僅僅是重蹈關鍵性步子.”因此教師必要的情景創設、恰當的引導或指導,不僅能讓學生體會科學家探索之艱辛、成功之喜悅,提高課堂效率,而且更能讓學生

在觀察和實驗之后開拓視野,萌發出一些科學的思想.諸如愛因斯坦中學時思考的“人坐在接近光速行駛的火車上會看到什么情景？”一類問題,為其終身學習奠定基礎.反之教師的草率行為學生會認為教師在敷衍、弄虛作假、浪費時間,長此以往會心生厭惡之感,何來效率.

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)[M].北京:人民教育出版社,2008:52.

[2] 課程教材研究所,物理課程教材研究開發中心.普通高中物理課程標準實驗教科書:物理·選修3-1[M].第3版.人民教育出版社,2011:91-92.