創新實驗裝置 培養探究能力
——定量探究影響通電導線受力的教學改革

范旭

遵義市第二中學，貴州 遵義 563000

1 引言

2018年教育部頒布了《普通高中物理課程標準 （2017 年版）》[1]（以下簡稱 《新課標》），《新課標》明確提出：物理學是自然科學領域的一門基礎課程，旨在落實黨的十八大提出的“立德樹人”根本任務，進一步提升學生的物理核心素養，為學生的終身發展奠定基礎，促進人類科學事業的傳承與社會的發展；物理實驗是觀察、操作和思維互為影響的活動過程,尤其創新性的實驗活動不僅是獲得知識、方法的手段,也是學生實驗探究能力的體現,因而實驗教學是培養學生物理學科核心素養的有效途徑。

人教版高中物理選修3-1[2]第三章《磁場》的“磁感應強度”一節課中，通過演示實驗探究通電導線所受的安培力的影響因素（圖1），以此來尋找描述磁場強弱的物理量——磁感應強度。該實驗中，采用控制變量法定性分析通電導線受力F與導線長度L、導線中的電流I的關系。但由于蹄形磁鐵周圍磁感應強度較弱，并且只有一條通電導線，實驗時通電導線的擺角不明顯，實驗效果不理想，不利于學生對磁感應強度概念的構建和理解。

圖1 在勻強磁場中探究影響通電導線受力的因素

基于以上分析，筆者對該實驗進行改進，利用現代傳感器測量技術，將實驗由定性觀測改為定量研究，使實驗可控性、可視性和科學性都得到了很大的提高，有助于學生對磁感應強度這一物理觀念的構建和理解，培養學生科學的物理思維，也提升學生定量分析問題的能力。

2 實驗創新

（1）實驗器材

鐵架臺（1 個）、自制線圈（1 個）、強磁鐵（1～2個）、電源（1 個）、開關（1 個）、滑動變阻器（1個）、電流傳感器（1 個）、靜力傳感器（1 個）、數據采集器（1 個）、電腦（1 臺）、數據傳輸線（3 條）、導線若干。

（2）實驗原理

利用控制變量法研究通電導線在磁場中受力的因素（圖2）：

圖2 實驗原理示意圖

①利用靜力傳感器測出通電導線的受力F；②利用滑動變阻器控制導線中的電流I；③利用線圈匝數n控制導線長度L；④利用電腦處理數據。

3 教學設計

教學片斷——探究影響通電導線受力的因素

【教師活動1】（提出問題）剛才我們定性分析了磁場對放入其中的導線有力的作用，請大家猜想這個力的大小與哪些因素有關呢？

【學生活動】（猜想與假設）思考并回答，磁場、電流大小、導線長度……

設計意圖通過引導，讓學生思考通電導線受力的影響因素，并讓學生大膽猜測和假設，為后面科學探究通電導線受力的影響因素做準備。

【教師活動2】（理論推導）回答得很好，磁場強度、電流大小、導線長度都可能影響通電導線的受力，那當我們遇到多因素（多變量）的問題，該怎么辦呢？

【學生活動】思考并回答，用控制變量法來研究。

【教師活動】非常不錯，物理學中對于多因素（多變量）的問題，常常采用控制變量法來研究。我們先控制磁場不變，研究導線長度L和導線中的電流大小I對通電導線受力F的影響。

設計意圖讓學生體會控制變量法在實驗探究中的重要作用。

【教師活動3】 （理論推導）首先控制磁場和通電電流I不變，研究導線的受力F與導線長度L的關系。假設此時磁場對長度為L的通電導線作用力為F，如果相同情況下，長度變為2L呢？此時的力是多少？請思考回答。

【學生活動】思考交流并回答，力為2F。因為長度為2L時，我們可以等效成2段長度為L的導線串聯，每段長度為L的導線受力為F，合力應為2F。

【教師活動】對，長度L加倍，力F也加倍，說明 B、I一定時，F∝L。

【教師活動】同理，若控制磁場和導線長度L不變，研究通電導線受力F與通電電流I的關系。假設電流為I的通電導線受力為F，如果相同情況下，通電電流變為2I時，導線受力為多少？和上面的結論相同嗎？請思考回答。

【學生活動】思考交流并回答，通電導線受力也為2F?？梢詫⑼妼Ь€的電流2I等效成2條電流為I的相同導線并聯，每條導線受力為F，兩條導線受力就是2F。

【教師活動】非常好，電流I加倍，力F也加倍，說明 B、L 一定時，F∝I。

設計意圖讓學生理論推導F與L、I的關系，培養學生邏輯推理的能力，也為后面的實驗做準備。

課件如圖3所示。

圖3 課件展示

【教師活動4】（實驗探究）同學們，我們邏輯推理出，B一定時F∝I，F∝L。是不是這樣的呢？下面我們用實驗來驗證：

（1）介紹實驗儀器及原理、連接實驗電路，并調試好電腦采集數據（首次使用電腦要先安裝傳感器驅動程序）。

（2）初始調零：閉合開關，觀察傳感器是否采集到數據，然后斷開開關并調零讀數。

（3）利用控制變量法探究：

導線受力F和導線中的電流I、導線長度L（匝數n）的關系：

①電流I一定，探究F與L（n）的關系（表1、圖 4）。

圖4 F與L的關系圖（I一定）

表1 I=0.2 A，分析F與L的關系

②長度L（n）一定，探究F與I的關系（表2、圖 5）。

表2 L=150匝，分析F與I的關系

圖5 F與I的關系圖（L一定）

（4）歸納實驗，得出結論

k表征的是與F、I和L無關的量，這個量就是磁場的強弱（即磁感應強度的大?。?。

4 總結反思

本實驗的創新之處有以下幾點：（1）強磁鐵（釹鐵硼磁鐵）替代蹄形磁鐵；（2）多匝線圈替代直導線；（3）直接測量力F替代導線偏轉反映F的大小；（4）增加DIS數字化探究儀器（力學傳感器、電流傳感器）和多媒體結合輔助完成實驗。

改進后的教學效果非常好：（1）實驗更具有可控性，可定量測出導線中的電流I、導線的受力F和長度 L（匝數 n）；（2）實驗更具有可視性，由電腦反映相關讀數，并可投影到大屏幕上，讓更多學生參與到實驗中來；（3）實驗更具有示范性，可由教師演示實驗改為學生實驗，讓學生親自動手，體驗實驗的樂趣；（4）實驗更具有科學性，改教材上“分析了很多實驗事實后人們認識到”為定量研究直觀得出結論（物理邏輯更強）；（5）實驗更具有創新性，讓傳統教學與當代技術相結合，讓實驗現象、數據處理更便捷；（6）實驗更具有啟發性，物理源自生活，該實驗能更好地激發學生學習的興趣，特別是DIS數字化工具的使用，為學生今后的學習、生活打下基礎。