基于審辨式思維的物理論證教學*
——以“磁場對運動電荷的作用力”為例

周佩佩

(清華大學附屬中學望京學校 北京 100027)

竇維霞

(北京工業大學附屬中學 北京 100022)

何德強

(北京市第八十中學 北京 100102)

張春麗

(北京市朝陽區教育科學研究院 北京 100021)

2022年版的《義務教育物理課程標準》提出物理課程的核心素養.核心素養是課程育人價值的集中體現,是學生通過課程學習逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力.物理課程核心素養主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任.其中“科學思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素,基于科學論證的教學方式得到教師們的青睞,是因為該方式有益于培養學生的問題意識、證據觀念、推理能力和審辯性思維;也能促進核心概念的整合以及深化對知識內容、科學本質的理解.

1 科學論證的要素分析

物理科學論證活動是指學生基于原有知識提出可探究的問題,然后設計適切的、可操作性的實驗方案,進行自主的實驗探究,在實驗中完成數據的搜集,以對數據的評估為依據發表自己的主張,并且能對同伴提出的質疑進行辯論和論證.整個學習過程以學生的探究性學習為主線,抓住探究學習的關鍵程序和能力,強調過程中的質疑和反思、交流和討論、探索和創造,通過問題解決實現有效且深入的學習.我們認為,這種學習是學生生動、活潑、主動的學習,而不是被動、消極、低效的學習.

科學論證的要素包括可探究的科學論題、提出自己的主張、尋找事實依據、展開邏輯推理、進行合理反駁、總結科學結論等要素,圖1闡述了科學論證要素的具體內容.本文以人教版高中物理選擇性必修第二冊第一章第2節“磁場對運動電荷的作用力”的教學為例,分享筆者基于審辨式思維的物理論證教學的研究成果.

圖1 科學論證要素的具體內容

2 剖析教學內容

“磁場對運動電荷的作用力”這一節是對安培力知識的延深;又是學習帶電粒子在磁場中運動的基礎;也是電磁學與力學結合的切入點;還是研究微觀帶電粒子運動有關的宏觀物理現象的開端.在知識結構和發展學生認知領域上具有非常特殊的價值!

本節知識主線的核心內容是洛倫茲力的方向和大小,從學生的能力和思維特點及其培養上看,洛倫茲力的方向涉及的空間立體關系比較抽象,適合學生在實踐中感知,是培養科學探究的有效素材;洛倫茲力與安培力的宏觀與微觀的聯系,是培養科學思維的關鍵載體,教學中可以通過教師引導,讓學生自主建立兩者之間的關聯,再進行理論推導.另外洛倫茲力的基本地位、洛倫茲力與電場力之間的關聯以及磁場與電場的關聯這些教學內容,既能夠完善學生的知識體系和物理觀念、鍛煉學生學習的能力,又給學生提供了豐富的想象空間.

3 教學過程

3.1 問題的提出

我們知道電荷處在電場中就會受到電場力的作用如圖2所示,電場和磁場都是特殊的物質且相互聯系.

圖2 電子束演示儀

大家類比思考一下,磁場對電荷是不是也有力的作用呢?如果有,是不是只要在磁場中放入電荷就有磁場力的作用呢?這個力有什么樣的特點?

設計意圖：重力場、電場、磁場都能夠產生力的作用,開放性問題的設置和討論, 有利于學生對場和相互作用建立更加完善的認識.

3.2 探究1——磁場對運動電荷有力的作用嗎?

實驗猜想:磁場對運動電荷有力的作用.

猜想依據:磁場對通電導線有作用力,電荷的定向移動形成電流,因此磁場對運動電荷有力的作用.

實驗操作:利用電子束演示儀如圖2所示和T型磁鐵進行實驗,觀察電子束在磁場中的偏轉.

實驗驗證:抽成真空的玻璃管的左右兩極分別連接到高壓電源的兩極時,陰極會發射電子.電子在電場的加速下飛向陽極.沒有電場時,電子束成一直線.如果在電子束的路上施加磁場,電子束的徑跡會發生彎曲.改變磁場方向,電子束會向相反方向彎曲,如圖3所示.

圖3 電子束在磁場中的偏轉

實驗結論:其實大量的實驗證實洛倫茲力確實存在.在歷史上荷蘭科學家洛倫茲最早提出磁場對運動電荷有力的作用的猜想,為了紀念他,人們把磁場對運動電荷的作用力稱為洛倫茲力.

設計意圖：對電流的微觀認識和對安培力的認識是學習洛倫茲力的重要事實經驗,但這些對于洛倫茲力的學習來說都是間接信息,為了能夠讓學生接受運動電荷在磁場中受到力的作用這一事實,有必要為學生建立直接經驗,即觀察電子束在磁場中的偏轉.由運用運動和相互作用觀,可以由電子束在磁場中的偏轉推斷運動電荷在磁場中受到力的作用.

3.3 探究2——洛倫茲力的方向如何判斷?

提出問題: 我們通過剛才的實驗發現電子束的受力方向、運動方向和磁場方向三者的方向關系是立體的,那么用什么方法確定電子束的受力方向呢?

我的主張:洛侖茲力方向的判定應當遵循左手定則.

我的依據:磁場對電流有作用力,電荷的定向運動形成電流,磁場對電流的作用力本質上是對運動電荷的作用力,因此洛倫茲力方向的判定應當遵循左手定則!

實驗操作:改變手中磁鐵的方向使電子向上偏轉,向下偏轉,向靠近你的方向偏轉,向遠離你的方向偏轉,并且利用你手中的模型如圖4所示(橡皮泥、吸管)來記錄電子束的受力方向、運動方向和磁場方向.

圖4 吸管模型

證據支撐:用左手定則判定電子束的受力方向和實際的受力方向相符合.

審辯質疑:四指指向電子運動的方向,磁感線垂直穿過掌心,大拇指所指的方向就是受力的方向.發現利用左手定則判定的受力方向與電荷偏轉的方向相反!

質疑反駁:電子定向運動的反方向是電流的方向.

修正完善:洛倫茲力的方向可以用左手定則判定,伸開左手,讓拇指與其余四指垂直,并且都與手掌在同一平面內;讓磁感線從掌心垂直進入,并使四指指向正電荷運動方向或者負電荷運動的反方向,這時拇指所指的方向就是運動的電荷在磁場中受到的洛倫茲力的方向,如圖5所示.

圖5 左手定則判定洛倫茲力的方向

設計意圖：物理是以實驗為基礎的學科,科學實驗是揭示自然規律的重要方法和手段.培養學生科學研究最基本的思維方法:科學猜想—邏輯推理—實驗驗證—歸納討論.同時借助科學推理和物理建模,由洛倫茲力的方向判定規律遵循安培力的方向判定規律——左手定則,得出安培力是洛倫茲力的宏觀表現.在這個實驗探究的過程中,讓學生體會透過現象尋求微觀本質的意義,培養學生的科學思維能力.

3.4 探究3——洛倫茲力大小的表達式

提出問題:導線中的電流方向與磁場方向垂直時,安培力大小為F=BIL.在這種情況下,導線中電荷定向移動的方向也與磁場方向垂直.既然安培力是洛侖茲力的宏觀體現,那么我們是否可以由安培力的表達式推導出洛倫茲力的表達式呢?

核心思想的構架過程:

真實情境：如圖6所示,導體棒MN與電源、開關、導線及平行導軌構成的回路,放在磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直于回路所在平面,此時,導體棒相對磁場靜止不動.

模型建構:設導體棒MN是長度為L,橫截面積為S的直導線,單位體積內的自由電荷數為n,每個自由電荷的電荷量為q,自由電荷定向移動的速率為v.這段通電導線垂直磁場方向放入磁感應強度為B的勻強磁場中.

理論推導:

(1)電流強度I

(2)通電導線所受的安培力

膀胱痙攣是膀胱沖洗患者比較常見的并發癥，臨床表現為陣發性發作的恥骨上疼痛，可能與患者術前存在不穩定膀胱、手術導致細胞受損增加了應激性以及氣囊及尿管的刺激有關[1-2]。膀胱痙攣不僅影響了手術治療效果，而且可導致繼發性出血，引起膀胱內血塊填塞、泌尿系統感染等[3-4]，如果處理不當可延長患者的住院時間，增加患者的經濟負擔。因此，必須采取積極的效果預防膀胱痙攣的發生。現選取我科室2017年1月—2018年1月收治的60例需要膀胱持續沖洗的患者為研究對象，探討綜合護理干預對膀胱痙攣的預防效果。

F安=BIL=BnqSvL

(3)這段導線內的自由電荷數

N=nV=nLS=nvtS

(4)每個電荷所受的洛倫茲力

洛倫茲力的方向判定如圖7所示.

圖7 左手定則判定洛倫茲力的方向

實驗結論:

電荷量為q的粒子以速度v運動時,如果速度方向與磁感應強度方向垂直,那么粒子所受的洛倫茲力為

F洛=qvB

設計意圖：高中物理電磁學部分最重要的力就是安培力與洛倫茲力,推導洛倫茲力的過程中,將復雜問題簡單化,設置成4個問題鏈讓學生依次去探究,幫助學生從導體內自由電子定向移動形成電流的微觀模型出發,過渡到所有定向移動的自由電子受到的洛倫茲力的矢量合為安培力的大小.還有一個有心的設計,物理情景為導體棒相對磁場靜止不動,這為后續導體棒所受安培力等于各個電子所受洛倫茲力在運動方向上分力的合力,不等于洛倫茲力的合力做鋪墊,也為洛倫茲力永不做功、安培力可以做功留有接口.

這樣就為學生提供了解決問題的邏輯線索,降低思維難度,鍛煉學生的邏輯推理能力.在推理過程中,挖掘宏觀現象的微觀本質,在物理的研究或學習中培養尋找一件事物與另一件事物之間的聯系是一種推理和認知能力,搭建合適的腳手架、提供合適的引導、建立物理模型、科學的推理論證,達到培養學生思考問題的習慣、發展學生物理科學思維和科學探究能力.

3.5 探究4——洛倫茲力的作用效果

提出問題:當運動電荷垂直于磁場的方向射入,它會做什么樣的運動?

我的主張:勻速圓周運動.

理論推導:洛倫茲力始終與速度垂直,只改變速度的方向,不改變速度的大小.若帶電粒子垂直進入磁場且僅受洛倫茲力作用將做勻速圓周運動

可得

實驗驗證:外加磁場,電子垂直進入,看到運動軌跡變為圓周,如圖8所示.

圖8 勻速圓周運動

審辯質疑:不一定做勻速圓周運動,或者說做勻速圓周運動需要一定的條件.

合理反駁:勻強磁場,速度垂直進入磁場.

反思性研討1：請問如何操作才能讓電子束做圓周運動的半徑更大一些,你有什么辦法嗎?

審辯1：若帶電粒子平行射入磁場,粒子受到的洛倫茲力又如何呢?

理論分析:若帶電粒子平行射入磁場,粒子做直線運動,說明不受洛倫茲力,如圖9所示.

圖9 勻速直線運動

審辯2：若帶電粒子不垂直也不平行射入磁場,粒子受到的洛倫茲力又如何呢?

理論分析:將速度分解為垂直于磁場的方向和平行于磁場的方向,垂直于磁場的方向做勻速圓周運動,平行于磁場的方向做勻速直線運動,整體上是螺旋前進的運動,如圖10所示.

圖10 螺旋前進的運動

設計意圖：愛因斯坦說:“提出一個問題比解決一個問題更重要”,培養學生的問題意識.引導學生分析提取、整合信息、建立模型,與已有知識建立聯系,提出自己的想法,表達自己的觀點,培養學生的質疑精神、證據意識.

3.6 探究5——物理學史再學習

到目前為止,洛倫茲力是一個非常重要且特殊的力,既能解釋磁場的微觀本質,又能夠控制電子在磁場的運動,我們再來了解一下洛倫茲這位科學家.他是荷蘭卓越的理論物理學家、數學家,經典電子論的創立者.洛倫茲以電子概念解釋物質的電性質,從電子論推導出運動電荷在磁場中要受到力的作用,即洛倫茲力.1902年洛倫茲和他的學生塞曼同獲當年的諾貝爾物理學獎.

設計意圖：從科學史的角度看,洛倫茲是一位在經典與近代物理之間承上啟下的科學巨擘,是第一代物理學家的領袖.他不僅在科研中取得了令人矚目的成就,更在做人方面為世人樹立了典范.

3.7 探究6——洛倫茲力的應用:東方超環

其實我們利用電子束的磁偏轉有很多重要的實際應用.比如2021年5月28日我國科學裝置“東方超環”取得了國際性重大突破,首次實現1.2億攝氏度101秒等離子體運行,為可控核聚變鋪平了道路.東方超環的核心技術之一是控制等離子體的運動,從而把它們約束在一個指定的區域內.我們學習物理是非常重要的,它是為了更好地服務于人類的科技與生活.

設計意圖：電子束的磁偏轉體現了物理知識與科學技術的聯系,培養了學生的科學態度與社會責任感.

4 總結反思

物理學科核心素養落實點在于我們是否能夠運用結構化的知識技能解決復雜的真實情境問題.因此在教學中應把跟學生生活聯系密切的實際問題、社會熱點問題、現代科技成果等有真實情境的教學內容引進課堂,應讓學生獲得在真實情境中解決物理問題的大量經驗,形成把情境與知識相關聯的意識和能力,結合教學內容的特點,從科學論證的要素出發,創設問題情境,設計合理的科學論證活動,培養學生科學論證的能力.