基于演示實驗的物理課堂教學設計
——以“通電導線在磁場中受到的力”一課為例

浙江省杭州市余杭中學（311121）夏建平

一、教學思路

“通電導線在磁場中受到的力”一課的教學充分利用教材中的兩個演示實驗，引導學生認識安培力的方向，并將安培力大小的探究設計為演示實驗進行驗證，從而讓學生更直觀地認識和理解安培力大小的關系式。整節課以學生為主體，以體驗為主線，以引導為輔助，充分展現物理課堂的趣味性，讓學生在學習物理知識的同時，獲得探求知識的方法和途徑，體驗學習的快樂和成就感，從而激發學生探究學習的興趣，提高學生的物理學科核心素養。

二、教學目標

1.知識與技能目標：能夠理解當安培力、電流、磁場的方向都兩兩垂直時，安培力的方向用左手定則來判斷。會應用安培力公式F=BIL解決相關問題；知道當I與B平行時，通電直導線受到的安培力等于零，是最小值；當I與B垂直時，通電直導線受到的安培力等于BIL，是最大值。能夠理解磁電式電流表的內部由線圈（帶指針）和磁極組成以及通電后線圈受到安培力會發生偏轉。

2.過程與方法目標：通過“課堂演示—分析歸納—總結應用”這條主線，學生能夠理解安培力的方向以及安培力大小的關系式，培養學生的想象能力。

3.情感態度與價值觀目標：能通過分析歸納個別事物的個性，進而認識一般事物的共性，學會認識事物的科學方法。通過對磁電式電流表內部結構的觀察，能用所學知識解釋其工作原理，進一步認識到學習物理知識是非常有用的。

三、教學儀器

磁電式電流表，強磁鐵，自制銅棒，自制導軌，學生電源，安培力方向演示儀，力傳感器，電流傳感器，數據采集器，滑動變阻器，導線（若干），電腦，多媒體輔助教學設備。

四、教學設計

（一）課堂導入

用事先準備好的磁電式電流表做演示實驗：當磁電式電流表通有電流時指針發生相應的偏轉；互換電池正負極之后指針往相反方向偏轉；調節滑動變阻器后指針偏轉角增大或減小。待學生觀察這些現象后，教師提出問題：為什么會出現這樣的現象？大家想不想知道磁電式電流表的結構？學生大聲喊“想”，興趣和激情被完全激發了出來。對高中生而言，親自動手進行實驗探索是最有趣的事情。課堂上，教師可以讓兩名學生上講臺動手拆磁電式電流表，并讓其他學生近距離觀察。通過觀察磁電式電流表的內部結構，學生初步發現了問題所在：磁電式電流表的內部結構中有兩個重要的部件，一是線圈，二是磁鐵。當線圈中通有電流時，線圈就會在磁場中受到力的作用，而改變電流的方向和大小，線圈的受力方向和大小就會發生變化，進而改變指針的偏轉方向和角度，從而切入本節課的重點內容——安培力。

通過課堂導入切入主題后，學生了解到這節課的主要內容是研究一個力，而力是一個矢量，要弄清楚一個矢量，就要明確其大小和方向。這時有很多學生就會明白這節課的主題是研究安培力的大小和方向，探討影響安培力大小和方向的相關因素，如此便確定了這節課的重難點問題。

（二）探究安培力的方向

1.猜想：結合磁電式電流表正反接時指針會有不同的偏轉方向的現象，讓學生猜想安培力的方向可能跟哪些因素有關。

2.自制實驗裝置：安培力方向演示儀（如圖1）。

圖1

3.實驗過程設計：用自制的實驗器材——安培力方向演示儀研究安培力的方向。實驗中研究的是安培力方向、電流方向、磁場方向三者之間的關系，所以采用控制變量法，并同時利用實驗、表格（如表1）、圖像（如圖2）共同展示實驗結果和相關圖像。

表1 實驗研究

圖2

4.實驗規律總結：

由實驗現象結合表格與圖像，引導學生了解電流I、磁感應強度B和安培力F的方向關系滿足一定的規律，并帶領學生用左手做手掌操，在此基礎上總結出左手定則：

①伸開左手使拇指和其余四指垂直，并且和手掌在一個水平面內；

②讓磁感線通過掌心；

③四指指向電流方向；

④拇指則為力的方向。

5.回歸教材，巧用實驗學以致用：利用教材上的演示實驗（高中物理選修3-1 P92 圖3.4-3）研究兩根平行通電導線之間相互作用的方向。首先，讓學生用左手定則分析兩根通電直導線當通有相同方向的電流時會發生怎樣的相互作用。在教師的引導下，很多學生得出“當通有相同方向的電流時兩根通電直導線相互吸引”的結論。接著，用自制的教具進行驗證，具體操作是平行擺放兩根導體棒，使其并聯得以通有同方向的電流。但實驗的結果卻是兩根導體棒紋絲不動，檢查線路沒發現有什么問題。這是什么原因呢？這引發了學生的思考與討論。有的學生說摩擦力太大了，有的學生認為導體棒不夠平行。由于時間原因，這一問題在課堂上暫不揭曉答案，留下懸念。最后，用一套經過改進的實驗器材（如圖3）進行實驗。結果發現兩根通有相同方向電流的導體棒產生了明顯的相互吸引的現象。經過對比實驗，學生明白了設計一個物理實驗要考慮很多因素，很多實驗結論都是物理學家經過不懈的努力，一次次地進行實驗器材改進，對實驗的方案進行一次次修改而得出的。教師由此教導學生：大家在生活和學習上也應如此。這次演示實驗是從物理教學到為人處世的教育，也是對學生情感態度與價值觀的升華。

圖3

（三）用現代科技實驗定量測量安培力的大小

對于安培力的大小，教材僅進行了這樣的描述：垂直于磁場放置一段長為L的導線，當通過的電流為I時，它所受的安培力為F=ILB；當磁感應強度B的方向與導線的方向平行時，導線受力為0。這樣的表述說服力不夠，如果能夠創造條件，對安培力的大小進行定量測量，會有更好的效果。要做這樣的實驗，傳統教具是無法實現的，我校的電子物理實驗室配備了各類傳感器。筆者在定量測量安培力的大小時使用了傳感器。

首先，簡單地給學生介紹所用到的傳感器（如圖4）。圖4中分別是電流傳感器、力傳感器和數據采集器。

圖4

接著，給學生介紹傳感器使用的電路圖（如圖5）。

圖5

最后，利用傳感器進行實驗。調節線圈在磁場中的長度，第一次的長度是第二次的2 倍，利用數據采集器采集數據得到如圖6所示的結果。

圖6

對F=BIL進行變形，可得F=BLI，根據控制變量法，先控制長度L和磁感應強度B不變，從圖6中可以很明顯地得到力F和電流I成正比；在圖6 中找電流相同的點，發現電流I相同時，長邊受到的力和短邊受到的力滿足2∶1 關系，因為長邊和短邊的長度之比也為2∶1，所以可以得到力F和長度L之間也是明顯的正比關系。從實驗到圖像，都非常直觀地體現了安培力F與電流I、長度L成正比的關系，當然圖像的斜率也可以說明問題。

第二個傳感器實驗是驗證安培力F與磁感應強度B與電流I的夾角θ的關系，如圖7所示。

圖7

從圖7 中可以非常直觀地得到安培力F與磁感應強度B與電流I的夾角θ的關系：當夾角θ為90°時，安培力最大；當夾角θ為0°時，安培力為零。

（四）首尾呼應

課始，教師通過展示磁電式電流表的內部結構引導學生觀察思考并導入課堂。雖然學生對磁電式電流表的內部結構和原理已有所了解，但還不是很明晰。對此，在課尾，教師非常有必要對磁電式電流表的工作原理進行詳細介紹（這里不再展開）。這樣的教學安排，使得學生的學習更有深度，并使得課堂有始有終，首尾呼應。

五、教學反思

本節課取得了較好的教學效果，學生在學習過程中能主動參與，積極思考，對安培力的方向和大小等的理解較為透徹，并能熟練地應用左手定則判斷安培力的方向，以及應用關系式F=BIL計算安培力的大小。以下三個方面需要引起注意：

1.教師應加強實驗教學，將實驗與教學緊密結合，讓學生作為知識探究的主體，去觀察發現、邏輯分析并解決問題。本節課采用了教師演示實驗的方式去引導學生探究安培力的方向和大小，有效培養了學生的科學思維和科學探究能力。

2.除了要充分理解教材，熟悉教材知識，教師還應深入研究學生的認知特點和最近發展區，例如哪些知識是學生的疑點，哪些知識是學生的盲點，等等。在教學中，教師要借助演示實驗，從感官到思維真正地把學生帶進科學探究的殿堂。

3.安培力的判斷方法——左手定則，涉及力F、電流I、磁感應強度B三個物理量的方向，而學生的空間想象力不夠強，因此這是學生的一個學習難點。對此，教師可引導學生將空間的三維圖形轉化為平面的二維圖形，如側視圖、俯視圖和剖面圖等，從而使學生有效掌握安培力的判定方法。