巧妙改進(jìn)實驗，突破磁感應(yīng)強(qiáng)度定義的教學(xué)難點(diǎn)

張學(xué)慶

摘 ? 要：筆者通過自制教具創(chuàng)設(shè)物理情境，引導(dǎo)學(xué)生實驗探究“影響通電導(dǎo)線受力的因素”。探究過程中采用控制變量法定量測量數(shù)據(jù)，接著分析實驗數(shù)據(jù)，再通過科學(xué)推理，用類比法、比值定義法讓學(xué)生建立起物理概念，完成從經(jīng)驗性常識到物理概念的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：定量探究;磁感應(yīng)強(qiáng)度;控制變量法;類比法;比值定義法

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）1-0073-3

1 ? ?設(shè)計理念

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出：通過創(chuàng)設(shè)情境培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前，基于生活經(jīng)驗形成了大量的經(jīng)驗性常識，要在此基礎(chǔ)上建構(gòu)物理概念，必須對所觀察的現(xiàn)象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，抽象事物的本質(zhì)特征，完成從經(jīng)驗性常識向物理概念的轉(zhuǎn)變[1]。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，教師在平時的教學(xué)中常把實驗教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生探究學(xué)習(xí)能力的重要途徑，使學(xué)生在經(jīng)歷實驗探究的過程中學(xué)科能力和學(xué)科素養(yǎng)得到全面的發(fā)展和提升。

筆者在教學(xué)中努力通過創(chuàng)設(shè)物理情境，讓學(xué)生經(jīng)歷概念的建構(gòu)過程，促進(jìn)學(xué)生更深刻地理解物理概念的本質(zhì)。本文以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”實驗教學(xué)為例進(jìn)行討論。

2 ? ?教材分析

教材中的演示實驗“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”是定性研究。一根通電直導(dǎo)線受到的磁場力太小，加上重力的影響，導(dǎo)線擺動不明顯。但是，教材給出的是定量結(jié)論，學(xué)生接受起來較牽強(qiáng)，可能會影響教學(xué)效果。因此，筆者嘗試改進(jìn)本實驗。

3 ? ?學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中已經(jīng)多次接觸并了解了比值定義法。此處可以類比電場里尋找描述電場強(qiáng)弱的物理量（電場強(qiáng)度）的過程，知道了比值僅與電場本身有關(guān)，反映了電場本身的性質(zhì)，用比值定義法將其定義為電場強(qiáng)度E=，學(xué)生有了認(rèn)知基礎(chǔ)。

鑒于此，對實驗裝置做了創(chuàng)新改進(jìn)，實現(xiàn)定量探究磁場力，并分析實驗數(shù)據(jù)，運(yùn)用比值定義法給出磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義式。

4 ? ?實驗教學(xué)目標(biāo)

（1）通過自制教具，改進(jìn)實驗，用控制變量法研究問題，定量探究“影響通電直導(dǎo)線在磁場中受力的因素”，經(jīng)歷科學(xué)探究過程。

（2）分析實驗數(shù)據(jù)，通過科學(xué)推理概括得出比值反映了磁場的強(qiáng)弱（本質(zhì)特征），將其定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，形成物理概念。

（3）引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)（比較—概括—抽象）過程，完成從經(jīng)驗性常識到物理概念的轉(zhuǎn)變，認(rèn)識到物理研究是建立在觀察和實驗基礎(chǔ)上的一項創(chuàng)造性工作，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

5 ? ?實驗創(chuàng)新要點(diǎn)

（1）如圖1所示，用多匝線圈代替單根導(dǎo)線放大了所受磁場力，并巧妙地用針尖作為支點(diǎn)（同時針導(dǎo)電流進(jìn)線框），當(dāng)線圈受磁場力時，它可以自由擺動，同時帶動上方的指針向右偏轉(zhuǎn)，顯示在角度盤上。這里用到了微小量放大法。

（2）巧妙設(shè)計，利用杠桿原理，借助針、角度盤、紙砝碼等創(chuàng)新設(shè)計，將定性實驗改進(jìn)成定量實驗。

（3）用控制變量法定量測量多組數(shù)據(jù)，然后分析數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生類比電場強(qiáng)度的定義，用比值定義法水到渠成地得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式B=（導(dǎo)線垂直放入磁場）， 利于學(xué)生理解物理概念的本質(zhì)。

6 ? ?實驗教學(xué)準(zhǔn)備

（1）實驗器材準(zhǔn)備（如圖2）：改裝鐵架臺，自制教具[其中包含焊有多匝線圈的銅框、指針、紙砝碼（如圖3）、角度盤等]，4個蹄形磁鐵，學(xué)生電源，滑動變阻器，電流表，單刀開關(guān)，導(dǎo)線若干。

（2）用串聯(lián)方式連接好電路，如圖2（該套器材由李鋒老師制作，器材制作方法另有篇幅介紹）。

（3）實驗方案：根據(jù)前面已掌握的知識，讓學(xué)生猜想影響通電導(dǎo)線（垂直放入）受力的因素：電流、長度。采用控制變量法研究磁場力與電流、長度的定量關(guān)系[2]。

7 ? ?實驗教學(xué)過程

（1）實驗操作

①保持銅框穩(wěn)定，調(diào)節(jié)角度盤使指針指在角度盤中央。

②閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器使I=0.20 A，指針向右偏轉(zhuǎn)，在左側(cè)懸掛1個紙砝碼，左右移動懸掛位置，使指針回到中央，說明一個紙砝碼的作用效果抵消了磁場力使指針向右偏轉(zhuǎn)的效果。根據(jù)杠桿原理，可以用1個紙砝碼作為單位來記錄磁場力F，此時記錄數(shù)據(jù) F為1個單位紙砝碼。

③為了便于調(diào)節(jié)，在左側(cè)再掛1個紙砝碼，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器，增大電流，增大磁場力，把指針拉回角度盤中央，測得電流I=0.40 A。同上操作，磁場力F為3個單位紙砝碼時，測得電流I約為0.60 A。

④換用強(qiáng)磁鐵（尺寸、重量和前兩個磁鐵相同，通過充磁器充磁后磁性更強(qiáng)，用磁傳感器測量得磁性近似相等）重復(fù)實驗。當(dāng)I一定時，改變L：先放1個強(qiáng)磁鐵，此時通電導(dǎo)線在磁場中的長度L為1個磁鐵的寬度，L記為1d。調(diào)節(jié)電流I=0.20 A，測得磁場力F為1.25個單位紙砝碼。保持電流不變，再放1個磁性近似相等的強(qiáng)磁鐵，L為2d時，測得磁場力F為2.5個單位紙砝碼。同上操作，L等于1d、電流等于0.40 A時，測得磁場力F為2.5個單位紙砝碼。

實驗數(shù)據(jù)記錄如表1。

（2）分析數(shù)據(jù)

由①②③④⑤可得，當(dāng)L一定時，磁場力F∝I;由④⑥可得，當(dāng)I一定時，磁場力F∝L。并發(fā)現(xiàn)，磁場力大小不能表示磁場強(qiáng)弱。（通電導(dǎo)線所受磁場力跟I、磁場中的導(dǎo)線長度L都有關(guān)，即使在磁場的同一位置，I或L不同，所受磁場力也不同），讓學(xué)生思考“用什么量來描述磁場的強(qiáng)弱”，這個量應(yīng)該只與磁場位置有關(guān)。

（3）得出結(jié)論

引導(dǎo)學(xué)生用類比法，類比電場強(qiáng)度的定義E=，求F與IL乘積的比值[3]。計算后發(fā)現(xiàn)：這一比值，與電流的大小無關(guān)，與導(dǎo)線長度的大小無關(guān)，只跟磁場位置有關(guān)，反映了磁場本身的性質(zhì)。弱磁場中比值小，2.5;強(qiáng)磁場中比值大，=6.25;比值越大，磁場的磁性越強(qiáng)，它反映了磁場的強(qiáng)弱。我們將其定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度B=（導(dǎo)線垂直放入磁場），即磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理意義（概念本質(zhì)）。

8 ? ?實驗教學(xué)反思

（1）本節(jié)實驗教學(xué)，先介紹實驗器材，讓學(xué)生熟悉實驗原理，然后老師和學(xué)生一起設(shè)計實驗方案、采用控制變量法進(jìn)行實驗探究，實現(xiàn)了定性研究到定量探究的改進(jìn)。

（2）改進(jìn)后的實驗，實驗現(xiàn)象明顯，數(shù)據(jù)可靠，較大信度地幫助學(xué)生形成物理概念，課堂效果理想。

（3）老師和學(xué)生一起分析實驗數(shù)據(jù)、找規(guī)律，通過科學(xué)推理類比電場強(qiáng)度的定義，概括出事物的本質(zhì)屬性（磁感應(yīng)強(qiáng)度的物理意義），“觸摸”到概念的本真，突破了本節(jié)概念教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

（4）通過創(chuàng)新設(shè)計的器材，創(chuàng)設(shè)具體的物理情景，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問題—設(shè)計方案—實驗探究—分析數(shù)據(jù)—概括歸納—建立概念”的過程，從而體現(xiàn)建構(gòu)主義所認(rèn)為的“學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者有意義的、主動的建構(gòu)，是新舊知識之間‘同化或‘順應(yīng)的相互作用，學(xué)習(xí)者習(xí)得的知識和能力則是知識內(nèi)化的結(jié)果”[4]。提高了學(xué)生分析解決問題的能力，達(dá)到從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的目的，提升了學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書物理選修3-1教師教學(xué)用書[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]石堯，陳清梅，邢紅軍.論高中物理“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)的邏輯[J].物理教師，2014，35（7）：11-13.

[4]戴大勇.物理教學(xué)難點(diǎn)的突破方法與策略——以人教版高中物理3-1“電場 電場強(qiáng)度”為例[J].物理教師，2018，39（2）：35-38.（欄目編輯 ? ?李富強(qiáng)）