巧用問題驅動 培養核心素養①
——以“磁感應強度”的教學為例

黃利華

(江蘇省啟東中學,江蘇 啟東226200)

巧用問題驅動 培養核心素養①
——以“磁感應強度”的教學為例

黃利華

(江蘇省啟東中學,江蘇 啟東226200)

筆者沒有采用電場強度作類比的方法建立磁感應強度概念，打破已有的教學經驗,是一次全新的嘗試和挑戰。本節課采用三個問題驅動、科學猜想和實驗探究相結合的策略,達成了培養學生物理核心素養的目標。

磁感應強度;問題驅動;科學猜想;核心素養

1 引言

筆者參加了2016年南通市高中物理優質課比賽并榮獲一等獎，上課內容是人教版選修3-1第三章第二節“磁感應強度”,授課對象是高一學生,他們剛學完牛頓運動定律,尚未接觸到電磁學的內容。給這些學生講授“磁感應強度”是一種全新的嘗試,以往的教學經驗都不適用了,必須打破固有的教學模式才行。筆者從新高一學生的認知水平出發,通過問題驅動,結合科學猜想和實驗探究，逐步建立“磁感應強度”這個比較抽象的概念,并在教學過程中注重提升學生的物理學科核心素養。

2 問題與探究

2.1 磁場的強弱怎么描述

學生已經知道磁體和通電導線周圍存在磁場,但磁場看不見、摸不著,總之人的感官無法體驗到磁場的存在,硬說它是一種客觀存在的確難以讓人信服。如何感受一個看不見、摸不著的磁場呢？那就要借助某種工具來探知磁場的存在,因為小磁針在磁場中會受到力的作用,所以學生很自然想到了小磁針這個工具,并依據其指向確立磁場的方向。這一步看似簡單,實則不易，這是人類借助工具探測到了一種未知的客觀存在——磁場,因此建立了磁場的物質觀。

接下來學生就會很自然地提出“磁場既然有方向那有強弱之分嗎”“磁場的強弱怎么描述”“磁場的強弱能用力的大小反映嗎”等相關的問題。

為此筆者設計了“用兩塊不同磁鐵分別吸相同啞鈴”的演示實驗,兩位同學參與演示實驗,用其中一塊磁鐵把啞鈴吸了起來,用另一塊卻吸不起來。真實展現了磁鐵周圍的磁場是有強弱之分的,同時學生也發現可以用作用力的大小來初步反映磁場的強弱。小磁針在磁場中會受到力的作用,或許可以用小磁針的受力大小來反映磁場的強弱。但仔細研究卻發現小磁針的兩極在磁場中受力大小相等,方向相反,合力為零，看來小磁針不能擔此重任。如果存在磁單極子就好了,可惜科學家至今尚未找到它。

本環節通過對磁場方向和強弱的分析,明確了磁場雖然看不見、摸不著,但它的確是一種客觀存在的物質,使學生初步形成磁場的物質觀和磁場與試探物的相互作用觀,為接下來的探究奠定了基礎。

2.2 通電導線在磁場中受到的力是怎樣的

在放棄小磁針的情況下,想到“通電導線”也會受到磁場力作用。但“通電導線”是一種“線模型”,它有別于“點模型”,這就涉及導線放置的方向和受力的方向問題。學生猜測“導線和磁場方向間夾角不同、受力不同或相同”“導線受力方向沿著導線或垂直導線”,學生帶著這些猜想進行定性的分組實驗(如圖1)。

圖1

通過分組實驗探究,學生發現一個事實：當通電導線和磁場垂直時,通電導線所受的磁場力比較大；當通電導線和磁場不垂直時,通電導線所受的磁場力要小一些。由于實驗裝置所限,學生無法得到定量的數據,也無法調整到磁場和通電導線平行,所以尚且不知道平行時的受力情況,但至少知道了通電導線放在同一個磁場中時受力不是一個定值。

為了克服上述裝置的不足,筆者重新設計了如圖2所示的實驗裝置,用細漆包線繞制有多個抽頭的線圈,將它的下邊放入磁場中,選用比較大的蹄形磁鐵,確保蹄形磁鐵的磁場能和通電導線轉到任意夾角位置。線圈固定在力傳感器的鉤子上,用DIS系統可以定量測出通電導線與磁場成不同夾角時受力的大小。

圖2

通過分析實驗數據后發現：當通電導線和磁場平行時,通電導線所受的磁場力為零；當通電導線和磁場不平行時,通電導線所受的磁場力不為零；當通電導線和磁場垂直時,通電導線所受的磁場力最大。

為了方便起見,可以用通電導線和磁場垂直時的受力大小來反映磁感應強度的大小。

本環節先通過分組實驗,讓學生對磁場力的大小有了一個定性的了解,再通過師生配合完成改進后的演示實驗，測出了定量的數據,使學生對磁場的“性格”有了更深刻的認識。本環節側重于訓練學生的動手能力,培養學生的質疑與創新、實驗探究等能力。

2.3 導線受力能直接反映磁感應強度的大小嗎

為了把磁場對通電導線的作用力充分表現出來,應該選擇通電導線與磁場垂直時的受力大小反映磁感應強度的大小。但是通電導線長度不同時受力也相同嗎？

使用DIS系統,測出新裝置中當導線中電流(I=0.3A)一定時,通電導線受到的作用力F與導線長度L的數值。導線的長度可以取不同的匝數來改變。得到表1中的數據,并求出F與L的比值。

表1

當導線長度改變時,受到的磁場力也會改變,說明不能用受力直接反映磁感應強度的大小。但磁場力F與導線長度L的比值在誤差允許范圍內是相等的,也即F與L成正比。

同樣道理,測出當導線的長度(L=7m)一定時,通電導線受到的作用力F與導線中的電流I的數值，導線中的電流由外電路控制，得到圖3中的數據。

圖3

DIS系統擁有強大的數據分析功能,對測得數據進行描點擬合。當電流改變時,導線受到的磁場力也會變化,說明不能用受力直接反映磁感應強度的大小。但磁場力F與導線中的電流I的比值在誤差允許范圍內是相等的,也即F與I成正比(如圖4)。

圖4

實驗發現：在某一確定的磁場中,通電導線和磁場垂直時,改變電流會改變通電導線受到磁場力的大小,改變導線的長度會改變通電導線受到磁場力的大小。那說明不能用通電導線受到磁場力的大小來直接反映磁場的強弱。但卻有另一個發現：磁場力F與電流I成正比,與導線長度L成正比,也即與IL的乘積成正比,寫成等式即F=BIL。

本環節由幾個學生配合，自主完成實驗的操作和數據的測量。有了前面學生和老師的合作實驗經歷,這次學生們完全可以獨立操作和分析,測出的數據也非常好，通過這個環節的訓練，大大提高了學生的實驗探究能力和數據分析能力。

3 教師的點撥

電流I一定時,力F與長度L成正比,說明B不隨長度的變化而變化。長度L一定時,力F與電流I成正比,說明B不隨電流的變化而變化。也即等式F=BIL中的B是一個與導線長度和電流大小無關的物理量。在同一個勻強磁場中這個B是相同的,但在不同的磁場中這個B一般是不同的,看來B就是表征磁場強弱的物理量。

當給出磁感應強度的定義式、單位后,讓學生根據前面兩次實驗中測得的數據分別算出磁感應強度為110mT和109mT。這是通過兩種不同實驗條件得到的磁感應強度,在誤差允許范圍內相等,充分說明了這就是要尋找的描述磁場強弱的物理量——磁感應強度B。

如果有一種儀器能夠直接測出磁感應強度,而且測出值與前面兩個值在誤差允許范圍內相等,那就更令人信服了。此處用語言渲染一下氛圍,頓一頓,吊足學生的胃口,然后再拿出特斯拉計(如圖5),介紹這就是測量磁感應強度的儀器,并對特斯拉計的使用方法作一下說明。接著可以請兩位學生使用特斯拉計測量上述實驗中所用磁鐵的磁感應強度,結果為110mT,這是多么令人興奮的數據啊！再用特斯拉計測“磁鐵吸啞鈴”實驗中兩塊不同條形磁鐵磁極附近的磁感應強度,發現它們的磁感應強度差別很大,徹底弄清了引入實驗中的疑惑,前后呼應,豁然開朗。

圖5

最后給學生介紹一下特斯拉,他是一個大發明家,一生的專利有上千個。如果他申請交流電專利的話,只要過兩三年就可以成為世界首富,但他放棄了交流電的專利，供世人無償使用。

介紹特斯拉的事跡,除了讓學生了解科學家的偉大貢獻外,也讓學生感受到科學家的人格魅力和社會責任感,旨在培養學生的科學態度與責任。

4 結語

在本節課中學生在教師的指引下，通過不斷質疑，不斷思考,通過三個問題層層推進,通過探究實驗步步展開,弄清了描述磁場強弱的物理量——磁感應強度。課堂上使用DIS系統和數字特斯拉計,學生非常感興趣,參與度非常高,達成了培養學生的物理學科核心素養的目標。

[1] 彭前程.積極探索基于核心素養理念下的物理教學[J].中學物理,2016,(2):1-2.

[2] 耿書娟.人性的物理不冷漠——淺談物理教材中科學家的介紹[J].物理之友,2016,(12):29-30.

①本文系南通市教育科學“十二五”課題“科學猜想在高中物理教學中的應用研究”的成果之一。