從定性到定量
——“安培力”的另類教法

王進峰

(浙江省嘉興高級中學,浙江 嘉興 314000)

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從定性到定量
——“安培力”的另類教法

王進峰

(浙江省嘉興高級中學,浙江 嘉興 314000)

“安培力”教學需要突破常規思路,從定性判斷到定量研究,讓學生在課堂上體會邏輯與實驗的完美結合,提升思維能力,體驗實驗的無窮魅力．

安培力;電流天平;定量研究

實踐是檢驗真理的唯一標準．在物理學發展歷程中,一個理論或者公式的得出,往往需要實驗的驗證．從效果來看,實驗的驗證或許比理論的推導更具震撼力和說服力．因此我們在課堂教學時如果條件允許,應該盡量安排教學環節使得學生能夠參與到實驗探究過程中,一是可以豐富課堂結構,二是能使學生熱愛物理實驗．人教版物理選修3-1第3章第4節“通電導線在磁場中受到的力”,教材的處理的邏輯結構是這樣的,如圖1．

圖1

1 教材處理的缺憾之處

教材的處理雖然體現了螺旋式上升的理念,步步深入,符合新課程改革的思想．但是還是不夠深入,有點虎頭蛇尾之嫌．因為第2節本身就是定性研究通電導線在磁場中的受力情況與哪些因素有關,如果第4節仍然只是定性研究,顯得有點草率,如果此節采用定量研究,無疑會是一種質的提升,通過實驗來探究能深化學生思維,前后呼應,讓知識鮮活起來．

2 定量探究的可行性分析

2.1 知識層面

學生從學習“磁場”開始,掌握了磁場的基本概念,包括各種典型磁場的分布特點,利用右手螺旋定則判斷磁場方向,包括直導線和通電螺線管;也知道了磁感應強度B的大小和方向,可以說具備了探究的知識儲備．

2.2 方法論層面

在 “探究加速度與力、質量關系” 的力學實驗中,學生已經掌握了如何用控制變量的方法來研究有幾個變量的問題;在電學實驗“探究平行板電容器的影響因素”中也貫穿了這種重要的實驗方法,因此用控制變量來研究安培力大小的影響因素可以說水到渠成．

3 課堂教學設計片段再現

由于安培力的“定義”、“方向”、“兩導線作用”、“應用”幾個模塊教材處理較為合理,這里不一一贅述,只呈現關鍵的部分“大小”這一教學片斷的設計．

3.1 學生大膽猜想

提問:力的方向確定好之后你們想知道安培力的什么知識?回答:安培力的大小．

提問:據你們現有的知識,猜想這個安培力大小與哪些因素可能有關?回答:可能與電流大小I、導線長短L、磁場強弱B有關,也有可能與磁場和電流的夾角θ有關．然后引出“控制變量法”:保持導線長度L、磁感應強度B不變,研究在B與I垂直條件下,兩者的關系;保持電流I、磁感應強度B不變,研究L改變后F怎么變;保持電流I、導線長度L不變,研究、磁感應強度B變化時F如何變．

3.2 實驗器材及原理

在確定用實驗來探究安培力大小的影響因素之后,用什么樣的儀器來操作也是費了一番腦筋．起初準備用傳感器實驗來做,優點是直觀高效,但由于學生對于傳感器的原理認識不足,所以選擇原理簡單易懂的“電流天平”來實施實驗,如圖2．

圖2

“電流天平”利用等臂杠桿原理,將通電導線受到的安培力直觀地用砝碼的重力來呈現,螺線管內部忽略邊緣效應后能提供一個勻強磁場,通過控制勵磁線圈的電流來改變內部磁感應強度B的大小,導線長度也可以根據接入電路的長度來改變,如圖3．

圖3

實驗原理如圖4,通電導線放在螺線管內部,兩個電源分別為導線和線圈供電,兩個電流表分別測量勵磁線圈I2電流和導線電流I1．

圖4

3.3 實驗探究過程

(1) 研究安培力與I的關系．調節滑動變阻器R1,改變導線電流I1,在其余條件不變的情況下讀出相應安培力大小,填入表格1．

表1

從表1可以看出,安培力與電流成正比．

(2) 研究安培力與L的關系．調節導線長度從L0變為2L0,在其余條件不變的情況下讀出安培力大小,填入表格2．

表2

雖然實驗可以改變的參數只有兩組,但是從結果可以看出,安培力與通電導線長度成正比．

圖5

(3) 研究安培力與磁感應強度B的關系．這一步也是所有的步驟中最難的,調節滑動變阻器R2,改變導線勵磁線圈電流I2,I2越大B也越大,但是兩者又是什么關系呢?此時引入磁感應強度傳感器來作為輔助儀器,如圖5．

在改變I2的同時讀出螺線管內部的磁感應強度B,從而測量相應條件下的安培力F,填入表格3．

表3

從表3可以看出,安培力F與磁感應強度B成正比．

3.4 實驗探究結論

通過以上3個實驗得到的結論:F∝I,F∝L,F∝B,可以寫成F∝BIL,于是變成等式F=kBIL．如果各物理量取國際單位制,則k=1,等式變成F=BIL,安培力的大小的實驗探究才最后得出結論．此時學生一定會聯想到第2節中關于B的定義式,從而完成定性到定量的突破,讓學生體會到從理論到實踐的相輔相成,一定印象深刻．

4 課后反思成敗得失

安培力大小實驗探究的設計突破了教材的限制,將枯燥的理論具化為可操作的探究實驗,把猜想一步步變為現實．具體的操作步驟可以提煉為圖6．

從定性了解到定量研究,是高中階段中學生應該要掌握的能力,這樣的設計正是基于學生的學情所做的大膽創新．這樣的處理是對教材的二次開發,知識仍在書本,形式不拘泥于書本,這也正是教學的魅力所在．照本宣科式的教學是無法激起學生的求知欲的,更不能讓學生喜歡物理,熱愛科學．

圖6

當然由于受實驗條件所限,未必盡善盡美,譬如長度的改變數據不夠豐富,時間限制數據取得不多,用圖像法更能消除偶然誤差等．

但瑕不掩瑜,這樣的大膽嘗試讓學生感受到了物理嚴謹和實驗的魅力,兩者相得益彰．在學習的深度上更上一層樓,學生的思維能力得到了提升,學生不僅收獲了知識,更鍛煉了實驗能力．

1 胡彬.注重實驗設計 引導學生探究[J].物理教師,2014(1):40-41.

2 陳海濤.關于實驗反思的實踐的研究[J].物理實驗，2006(7):24-25.

3 王法秀，王耀福.另一種關于安培力的演示實驗[J].物理教師，2003(7)：26.

4 馬霏.自制探究安培力演示器[J].物理教師，2013(10)：57.

2016-09-30)