基于物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向的探究安培力規(guī)律教學(xué)

陳家禮

物理教學(xué)的創(chuàng)造性主要體現(xiàn)在：物理教師在教學(xué)過程中必須發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，通過對物理課程標(biāo)準(zhǔn)、培養(yǎng)目標(biāo)以及教材的理解，針對教育對象的不同特點(diǎn)和普遍規(guī)律，選擇最有效的方法和途徑來實(shí)現(xiàn)教育目的。

探究安培力的規(guī)律是高二物理選修3-1（粵教版）實(shí)驗(yàn)探究課第三章第三節(jié)“探究安培力”的內(nèi)容，教師可以通過創(chuàng)設(shè)有效的實(shí)驗(yàn)情境，利用實(shí)驗(yàn)的手段將磁場對電流的作用力（安培力）的作用特征、方向和大小淋漓盡致地展現(xiàn)在課堂上，使學(xué)生對安培力的認(rèn)識有真切感受，對安培力在實(shí)際問題中的應(yīng)用有無盡的遐想，對學(xué)習(xí)安培力的規(guī)律有著迫切的要求。

在知識傳授上，如果按照教材上用簡單的實(shí)驗(yàn)方法介紹安培力的特征，通過奧斯特實(shí)驗(yàn)的展示，說明電流周圍存在磁場，以及利用放在磁場中的通電導(dǎo)線因受磁場力作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，說明電流在磁場中受磁場力作用等，感覺有點(diǎn)重復(fù)初中所學(xué)知識，至少對學(xué)生沒有太大的吸引力，更談不上去探究。因此，為了更好地激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望，探究安培力規(guī)律的教學(xué)應(yīng)著重體現(xiàn)在“探究”上，要真正體現(xiàn)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)條件，展示安培力的魅力

1. 安培力的由來

如圖1所示，在電路沒有接通的情況下，小磁針指向南北極（按地磁的指向）;當(dāng)電路中開關(guān)K接通時(shí)，小磁針不再指向南北極，而是發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這一方面說明電流的周圍存在磁場，另一方面也說明通電導(dǎo)線對小磁針有作用力，根據(jù)牛頓第三定律，小磁針對通電導(dǎo)線也有作用力，這就是安培力。可以利用圖3所示裝置體驗(yàn)安培力的存在，接通電源后，導(dǎo)軌上的銅桿ab會(huì)在安培力的作用下向左移動(dòng)。

2. 安培力的魅力

安培發(fā)現(xiàn)了安培力，對整個(gè)人類社會(huì)的發(fā)展和貢獻(xiàn)是劃時(shí)代的，人們利用安培力和其他物理原理發(fā)明了非常重要的動(dòng)力源——電動(dòng)機(jī)（如圖4所示），電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使人類社會(huì)發(fā)生了第二次工業(yè)革命，也使人類的生活進(jìn)入電氣時(shí)代。由于安培的杰出貢獻(xiàn)，后人將磁場對通電導(dǎo)線的作用力叫安培力。

二、排除實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的干擾，合理確定安培力的方向

1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大致確定安培力方向

由圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以判斷，安培力的方向與磁場方向、電流方向有關(guān)。接通電路后，銅桿ab能從靜止開始向左移動(dòng)，一定受到安培力的作用，才會(huì)產(chǎn)生這種效果，由此基本確定銅桿ab所受安培力的方向向左，如圖5所示。

在以上實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)兩個(gè)問題，如圖6、如圖7中，由于導(dǎo)軌給銅桿ab的支持力可以調(diào)節(jié)，安培力的方向即使不是剛好水平向左，只要有向左的分力，接通電路后，銅桿ab也能從靜止開始向左移動(dòng)。

2. 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)確判斷安培力方向

為了說明以上裝置中安培力的準(zhǔn)確方向，將實(shí)驗(yàn)裝置改為圖8所示的情況。用多匝線圈替代銅桿，將線圈用彈簧懸掛起來，接通電路后，發(fā)現(xiàn)線圈沒有左右擺動(dòng)，而是向下運(yùn)動(dòng)，說明所受安培力的方向向下，受力方向簡圖如圖9所示。通過改變磁場方向或電流方向，觀察線圈的擺動(dòng)得到圖10、圖11和圖12等情況下安培力的方向。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定，安培力方向的判斷方法（左手定則）：磁感線垂直穿過手心，讓四指指向電流方向，則大拇指的指向?yàn)榘才嗔Φ姆较颉?/p>

三、更換實(shí)驗(yàn)裝置，定量歸納安培力的大小

1. 安培力的大小與其他因素的關(guān)系

從以上實(shí)驗(yàn)可以看到，安培力的大小與磁場的強(qiáng)弱、電流大小和通電導(dǎo)線在磁場中的長度有關(guān)。為了更好地利用以上實(shí)驗(yàn)裝置探究安培力大小遵循的規(guī)律，可以采用控制變量法總結(jié)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探究安培力的大小與其他因素的關(guān)系。

2. 長度一定時(shí)，安培力與電流大小的關(guān)系

如圖13所示，將圖8的實(shí)驗(yàn)裝置中彈簧更換為力傳感器，產(chǎn)生磁場的磁鐵用幾個(gè)相同的U型磁鐵拼在一起形成一個(gè)較大空間的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，在電路中連接一個(gè)電流傳感器，用于電路中電流大小的測定。

先將兩個(gè)傳感器的讀數(shù)清零，接通電路后，通過改變滑動(dòng)變阻器，隨機(jī)測量幾組電流和對應(yīng)的安培力的大小，記錄的表格如表1所示。

利用Excel軟件中的圖表功能得到安培力F與電流I之間的關(guān)系如圖14所示，雖然實(shí)驗(yàn)有誤差（主要來源于線圈的抖動(dòng)和傳感器的精度有限），但可以看到，F(xiàn)∝I，對這種探究學(xué)生有很深的感受。

3. 電流一定時(shí)，安培力與有效長度的關(guān)系

如圖15所示，將圖13實(shí)驗(yàn)裝置中線圈更換為有效長度為原來2倍的相同線圈，其他條件不變。

先將兩個(gè)傳感器的讀數(shù)清零，接通電路后，通過改變滑動(dòng)變阻器，測量電流分別為0.36A和0.66A對應(yīng)的安培力大小，記錄的表格如表2、表3所示。

從以上兩組測量數(shù)據(jù)可以看出，盡管實(shí)驗(yàn)存在誤差，但仍可以得到F∝L。這樣基本可以確定安培力的大小與電流大小及通電導(dǎo)線在磁場中的有效長度成正比，即F∝IL。

4. 歸納整合，獲取安培力大小的規(guī)律

上述探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明F∝IL，事實(shí)上，安培力的大小還與磁場的強(qiáng)弱有關(guān)，可以定義描述磁場強(qiáng)弱的物理量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即B=F/IL。由該定義式可以得到F=BIL，可知通電導(dǎo)線在磁場中所受的安培力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小、電流大小和導(dǎo)體在磁場中的有效長度成正比。

至此，探究安培力規(guī)律的教學(xué)活動(dòng)結(jié)束，通過實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生不僅深刻體會(huì)到安培力的特征，體驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律的成就感，也提升了物理探究素養(yǎng)。