在物理文化的浸潤中探究電與磁的聯系

黃皓燕 夏廣平

(南京市金陵中學，江蘇 南京 210005)

物理文化是指古代哲學家、近代物理學家和現代物理研究者在研究過程中逐步創造的物理知識體系、觀念形態、思維方法、價值標準的總和.

以物理文化的視角去研究高中物理教學，將進一步凸顯物理學科的本質，展現物理學科的文化價值.以物理文化的視角進行高中物理教學，將人文精神、思想方法提升到與知識技能同樣重要的位置，讓物理學科不僅是一個知識體系，更是一個文化體系，更有利于提高學生素養.

2017年新一輪基礎教育課程改革中，“核心素養”已成為中心熱點，成為深化基礎教育課程改革、落實素質教育目標的關鍵要素.對“核心素養”的深入關注，必將進一步引導教師更深入的把握物理學科的文化本質，達成學生的全面發展教育.本文以“磁現象與磁場”教學設計為例，嘗試從物理文化的視角進行教學設計，讓學生在物理文化的熏陶中了解電與磁的聯系，學習科學探究的方法，發展思維能力、質疑精神，提升物理核心素養.

1 回顧司南的歷史，引出課題，激發學生的民族自豪感

設計思路：通過司南模型的實體演示，回顧我國古代對磁性的研究，說明指南針是我國的四大發明之一，指南針的發明為世界的航海業做出了巨大的貢獻及今人對司南模型的再塑.引出課題，同時激發學生們的民族自豪感.

圖1 司南模型

教師：展示司南模型(如圖1).同學們，這是什么？有什么作用？

學生1：戰國時期的司南，可以查看是否有礦藏.因為司南有磁性.

學生2：司南更多的是用于定向.

歷史1：據《古礦錄》記載，司南最早出現于戰國時期的磁山一帶.《韓非子》中就有:“先王立司南以端朝夕”.

公元1世紀初，東漢王充在《論衡》一書中描述 “司南之杓，投之于地，其柢指南”.

演示：司南的指南作用.

圖2 司南模型2

教師：我們現在看到的司南是20世紀根據古籍記載制作的司南復原模型.如圖2是利用小葫蘆瓢和水碗復原的“司南”.

指南針是我國的四大發明之一，指南針的發明為世界的航海業做出了巨大的貢獻.

2 介紹科學家研究電與磁關系的歷程，引導學生學習科學探究的一般步驟，有效建構科學本質觀

設計思路：

(1) 18世紀及19世紀初科學家研究電與磁關系的過程漫長而曲折，通過回顧奧斯特研究電流磁效應的曲折經歷，引導學生們學習科學探究的一般過程，學習科學研究的方法.

(2) 通過學習奧斯特發現電流磁效應實驗失敗與成功的實驗過程，學習奧斯特對科學研究的執著追求.知道人類對電磁的認識經歷了循序漸進、不斷探索的過程.

(3) 介紹奧斯特發表研究成果的經過，通過適當地討論與明示，了解科學知識的本質及科學探究的本質，有效建構學生的科學本質觀.激發學生科學探究的激情.

問題1：電與磁之間如此相似，那么電與磁有沒有聯系?

物理學史1.

1731年，一名英國商人發現，雷電過后，他的一箱刀叉竟然有了磁性.

1751年，富蘭克林發現萊頓瓶放電能使縫衣針磁化.……

然而，18世紀結束之際，電學達到的最高成績就是庫倫定律.庫倫(1736—1806)、托馬斯·楊(1773—1829)、安培(1775—1836)等物理學家經過很長時間的實驗研究，都相信電與磁沒有聯系.

18世紀后期，德國掀起了自然哲學思潮，認為自然界的各種運動是相互聯系并相互轉化的……

物理學史2.

19世紀開始了，有一位自然哲學的追隨者，丹麥物理學家奧斯特，他堅信電和磁之間存在某種聯系.電和熱有聯系、電和光有聯系，電與磁也應該也有聯系.

總結奧斯特進行科學探究的步驟：① 提出問題：電和磁有聯系嗎？② 猜想與假設：電流對磁體有力的作用.③ 制定計劃與設計實驗.④ 進行實驗與收集證據.⑤ 分析與論證(反思).

奧斯特設計了實驗，并進行實驗.然而，實驗都失敗了.

反思：實驗失敗的可能原因？

當時人們見到的力都沿著物體連線的方向，即“縱向力”.所以他一直將小磁針放置在通電導線的延長線上(如圖3所示)，觀察磁極是否受到力的作用.

圖3

1819年，他有了一個靈感，電流的磁效應可能不在電流流動的方向上，也許是“橫向力”，然而實驗還是沒有成功.

圖4

物理學史3.

1820年4月，在一次講演快結束的時候，奧斯特抱著試試看的心情又做了一次實驗.他把一條非常細的鉑導線沿南北方向上放在一根小磁針上方，如圖4所示.接通電源的瞬間，發現磁針跳動了一下.

思考：導線為什么南北方向放置？

奧斯特驚喜萬分，又反復實驗，3個月后發表論文宣布發現了電流的磁效應，首次揭示了電與磁的聯系.開創了電磁學的新紀元.

為什么要反復實驗？為什么要發表？

明示：科學需要證據，在相同條件下，科學知識需要可以重復驗證.新知識必須明確和公開地表達.

問題2： 聽了19世紀科學家的探究電與磁聯系的經歷，同學們有何感想？

人類對電磁的認識經歷了循序漸進、不斷探索的過程.(知識的暫定性、發展性)

科學知識以觀察和經驗為基礎，需要邏輯和合理的想象(猜想).

科學不仰仗權威，科學探究的動力在于對以往科學知識的質疑.

3 介紹安培對磁現象的研究，激發學生對科學的熱愛、對科學事業的執著

問題3： 1820年7月，奧斯特發表論文宣布發現了電流的磁效應. 同學們想象一下，當時的科學界可能會出現什么情況？

學生：當時的科學界都非常震撼，那么多的著名的科學家都認為電和磁沒有關系，他堅持自己的信念，堅持實驗，終于證明了電流對磁體有力的作用.

祝賀奧斯特取得的成就……

物理學史4.

法國物理學家安培第二天就重復了奧斯特的實驗……

1周后，他提交論文，提出了磁針轉動方向與電流方向的關系

2周后，他提交論文，討論了平行載流導線之間的作用力問題.

1820年底，安培提出了著名的安培定律.

其實，在安培之前，還沒有電流的概念……

教師：了解了這些物理學史，請同學們談談感受？

學生1：奧斯特做出了成就，安培立即繼續研究下去，并在很短的時間內取得得巨大的成就.

學生2：學習安培獲取信息的能力，學習安培對科學探究的執著.……

教師：所以本章后面的學習，都是學習安培的研究成果.

明示： 我們要學習安培對科學的熱愛、對科學探究的執著.學習安培把握機遇、 迅速行動起來.相信科學是在不斷發展變化的.

4 4個探究實驗，探究磁體與磁體、磁體與電流、電流與電流間是否有力的作用，培養學生的實證意識及探究能力

學生自主探究1：磁極間的作用力的特點(如圖5所示).

實驗結論1：同名磁極相互排斥， 異名磁極相互吸引.

學生自主探究2： 奧斯特實驗.

在相同條件下，科學知識需要可以重復驗證.請同學們自己做一下奧斯特當年做過的實驗，如圖6所示.

圖5 研究磁極間的作用

通過觀察實驗現象(多次重復實驗)，學生得出實驗結論.

實驗結論2：電流對磁體有力的作用.

實驗探究3：電流對電流是否有力的作用.

如圖7所示，觀察導體棒間的作用力.

(1)兩根平行的導體棒，通同向電流電流，觀察導體棒間的作用力.

(2)兩根平行的導體棒，通反向電流電流，觀察導體棒間的作用力.

實驗結論3：同向電流相互吸引，異向電流相互排斥.電流對電流有力的作用.

實驗探究4：磁體對電流是否有力的作用.

圖7 研究電流間的作用

(1) 介紹實驗裝置(圖8)，導線在異名磁極間，同時導線與較靈敏的指針相連.開始時指針居中.

(2) 接通電源，導線中有電流通過，觀察發生的現象，并分析現象產生的原因.

學生：指針偏轉，說明電流受到了磁體力的作用.

實驗結論4：磁體對電流有力的作用.

圖8 研究磁體對電流的作用

5 將電場與磁場進行類比，學習自然界的各種運動是相互聯系的物理觀念，通過適當的問題引領學生的探究

問題1： 磁體有南極和北極二個極，大家聯想到自然界里的什么？

學生：正電荷(+)、負電荷(-).

引導學生一起分析電現象和磁現象相似性.

同種電荷相互(排斥)，異種電荷相互(吸引).

問題2： 那么磁極間也有作用力嗎？

探究實驗1：磁極間的作用力.

類比2：磁體與磁體間、磁體與電流間、電路與電流間作用力的類比.

圖9

學生在完成重做奧斯特實驗后，如圖9，引導學生總結：磁體與磁體間有作用力，電流對磁體有作用力.根據自然界的運動是普遍聯系(對稱性)的觀念，我們很自然提出下列問題

問題3： 磁體對電流有作用力嗎？

問題4： 電流對電流有作用力嗎？

進行探究實驗3、探究實驗4.

類比3：磁體與電流間作用力與電荷間作用力的類比.

在4個探究實驗結束后，學生總結得出磁體與磁體間、磁體與電流間、電流與電流間均有作用力.為了引入磁場的概念，可以引導學生將磁體與電流間作用力與電荷間作用力進行類比.可以提出下列問題.

問題5： 磁體與磁體、磁體與電流、電流與電流之間有相互作用，它們并沒有接觸，他們之間的作用是怎么產生的呢？

教師：如圖10所示，同學們回顧一下，兩個電荷間有作用力嗎？它們相互接觸嗎？它們間的作用力是如何產生的？

圖10 電荷間的作用

學生1：電荷并沒有相互接觸，他們間的作用力是通過電場產生的.

學生2：磁體、電流間的作用力也是通過磁場進行的.

由此引入磁場的概念.再通過磁場與電場的類比(如表1)，進一步理解磁場的產生與磁場的基本特性.

類比4：將地磁場與條形磁體類比.

如圖11，通過動畫演示：小磁針靜止時，N極總是指向地球的北極.

表1 磁場與電場的類比

圖11 地磁場

教師：為什么小磁針靜止時，N極總是指向地球的北極？請同學們討論.

學生：地球周圍有磁場，地球本身就是一個巨大的磁體.

教師：地磁場有什么特點？

與學生一起討論，得出地磁場的特點，地磁場周圍的磁感線與條形磁鐵類似.

地磁場南極(S極)：在地理北極附近.

地磁場北極(N極)：在地理南極附近.

播放關于地球磁場的影片，介紹地磁場產生的可能原因及地磁場的簡單應用.

設計思路：通過動畫演示這種形象生動的教學形式，讓學生認識地磁場、地磁場兩級、以及磁偏角等概念.通過播放地球磁場的教學片，讓學生了解科技最前言的最新科技成果，激發學生熱愛物理、探究規律的興趣.