基于核心素養的高中物理教學探討
——以“探究安培力”教學為例

鄒 萍 張軼炳

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院,寧夏 銀川 750021)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》對三維目標進行了整合,凝練為“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等四個方面,對中學物理教學提出了更高要求。筆者以“探究安培力”的教學為例,基于物理學科核心素養的培養目標，展示教學實踐。

2 分析學情，確定學習目標

本節教學是在學習磁場的基礎上,以演示實驗為突破口,讓學生經歷科學探究過程,學習科學探究方法,落實核心素養的培養目標。

2.1 學情分析

學生在初中時就已對電磁現象有了初步的認識。掌握了控制變量法、類比法、等效替代法等,具備一定的觀察實驗、歸納分析、科學推理能力，學生具有較強的學習動機。

2.2 學習目標

表1

針對本節課的教學內容,從物理觀念、科學思維、科學探究與科學態度與責任4個方面提出學習目標(表1)。

3 基于核心素養的“探究安培力”教學過程

3.1 新課導入

通過電風扇等生活常見的應用實例,提出問題:電動機是如何工作的?

教師展示自制簡易電動機模型(圖1),帶領學生回顧初中物理中電動機的學習內容。

圖1

3.2 實驗探究

教師引導學生探究通電導線在磁場中受力的方向。

3.2.1 提出問題

教師通過介紹物理學家安培,使學生了解物理學史的同時引入物理概念——安培力,即通電導線在磁場中受到的力,可從力的三要素(方向、大小、作用點)入手,進行探究。

教師提出問題：安培力的大小與哪些因素有關?

3.2.2 設計與進行實驗

教師提供圖2所示的實驗器材,學生自主設計實驗方案。

圖2

3.3 安培力方向的確定

為直觀呈現安培力、電流、磁場三者方向的空間關系,教師利用三種不同顏色的箭頭分別代表三者方向,將每組實驗結果呈現出來,引導學生尋找其中規律。

如圖3所示,將磁場方向、電流方向、導體棒運動方向分別用帶箭頭的直線表示,“×”表示方向垂直黑板平面朝里、“·”表示方向垂直黑板平面朝外,學生通過三維示意圖尋找規律。

圖3

圖4

為了方便判斷安培力的方向,教師指導學生利用左手大拇指、四指、手掌心來判斷安培力的方向(圖4)，進而總結出左手定則。

教師進一步提出問題:如知道了安培力、電流、磁場中任意兩者方向,第三者方向是否可以判定?給出幾種情境,請同學們嘗試判斷圖5中磁場和電流方向。學生利用左手定則判斷出相應的磁場和電流方向,再通過實驗進行驗證。

圖5

3.4 左手定則的應用

教師提出問題:由于圖2所示實驗裝置中導軌長度有限,不能持續地將電能轉換為機械能,而電動機卻能持續轉動，為什么?

學生討論、交流,教師補充講述:如圖6所示,通電線框在磁場中會受到安培力作用,由于流過左右兩邊金屬棒的電流方向不同,根據左手定則判斷，它們所受安培力的方向不同,在合力矩的作用下,線框會發生轉動,為了讓線框持續轉動,左側金屬棒必須始終受向上的安培力作用,右側金屬棒受向下的安培力作用;為了達到這樣的目的,在線框上安裝了換向器,即兩個半圓形銅環,讓與電源正負極相連的電刷與半圓形銅環接觸來給線框供電,與電源正極相連的電刷始終與左側銅環接觸,與電源負極相連的電刷始終與右側銅環接觸,這樣就能保證線框始終沿一個方向轉動,這便是我們課堂引入時提到的電動機的工作原理。將本節內容與電動機原理相聯系,培養學生應用物理原理和科學方法解決生活實際問題的能力。

圖6

3.5 左手定則的應用拓展

在現實生活中,電動機的應用非常廣泛,但磁場都是由磁鐵提供的嗎?其實,更多情況下是電流提供磁場,教師提出問題:兩根平行通電直導線之間的相互作用力又是怎樣的?

教師引導學生分析，把其中一根通電導線視為磁場源,根據之前學過的安培定則即右手螺旋定則,得出左邊通電導線的磁場如圖7所示,通以反向電流的平行導線所受安培力的方向向右,同理可得,左邊通電直導線在右邊通電直導線產生的磁場中受到向左的安培力,電流方向相反的兩條通電導線之間的相互作用力方向相反，兩根導線相互排斥;當兩根導線通以同向電流時則是相互吸引,再用實驗予以驗證(圖8)。

圖7

圖8

3.6 課后小制作

教師提供電池、柱形磁鐵、線圈等材料，請學生課后利用所學知識，自制電動機,寫出設計方案,并分析其原理，實現課內課外探究相結合,達成物理學科核心素養的培養目標。

4 結語

高中物理教材按照學科邏輯進行編排,知識點抽象且概括性強,筆者的教學設計立足于教材,通過教師的引導，學生自主探究，在整個教學過程中以情境引問題,以問題導探究,以探究促真知。學生通過實驗探究，總結出確定安培力方向的左手定則,學以致用,提升了學生的物理學科核心素養。