淺談磁場(chǎng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

廣東佛山順德均安文田初級(jí)中學(xué)（528300） 黃碧玉

物理是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)過(guò)程中起著不可替代的作用。實(shí)驗(yàn)是研究物理問(wèn)題的根本方法，也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力的有效途徑。針對(duì)初中生好奇心強(qiáng)、敢于想象的特點(diǎn)，加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和動(dòng)手能力，而且能加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

有的物理實(shí)驗(yàn)淺顯易懂，學(xué)生易消化吸收。例如，在“光的反射”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以直觀地觀察到光的反射路徑（如圖1 所示），并在實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)下推導(dǎo)出光的反射定律。又如，在“電流與電壓關(guān)系”的探究實(shí)驗(yàn)中，雖然電看不見(jiàn)，但是學(xué)生在生活中已有豐富的感性體驗(yàn)，看到燈泡發(fā)光就可以感知電流的存在，知道燈泡越亮，通過(guò)燈泡的電流越大（如圖2所示）。因此，在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)電阻不變時(shí)，電壓越大，學(xué)生可以立刻知道電流也越大。但是，人教版九年級(jí)物理第二十章第一節(jié)“磁現(xiàn)象 磁場(chǎng)”中磁場(chǎng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)相對(duì)難度變大。雖然簡(jiǎn)單的磁現(xiàn)象學(xué)生在小學(xué)已學(xué)過(guò)，但學(xué)生觀察磁現(xiàn)象時(shí)缺乏計(jì)劃性和目的性，另外學(xué)生的概括能力較弱，所以學(xué)生很難感知磁場(chǎng)的存在（如圖3所示）。

圖1 觀察光的反射

圖2 感知電流

圖3 感知磁場(chǎng)

初中生首次接觸既看不見(jiàn)又摸不著的“磁場(chǎng)”，用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)更要求學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)綜合能力。磁場(chǎng)的性質(zhì)決定了磁場(chǎng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)與以往教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求截然不同。但是磁場(chǎng)的教學(xué)又必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能講透徹，因此實(shí)驗(yàn)成為磁場(chǎng)教學(xué)的靈魂。那么，根據(jù)教學(xué)難度和學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，磁場(chǎng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該如何設(shè)計(jì)呢？

先來(lái)認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)在整個(gè)章節(jié)里的地位和作用。磁場(chǎng)是繼磁現(xiàn)象之后的內(nèi)容，也是后面學(xué)習(xí)電生磁、電磁鐵等知識(shí)的基礎(chǔ)，起到承上啟下的作用。磁場(chǎng)的教學(xué)思路可以是：先從磁針移至磁體附近會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，得出磁體周?chē)嬖诖艌?chǎng)；接著通過(guò)實(shí)驗(yàn)感知磁場(chǎng)的存在；然后通過(guò)磁針的指向來(lái)規(guī)定磁場(chǎng)的方向，進(jìn)而引出用磁感線描述磁場(chǎng)的分布。磁場(chǎng)的內(nèi)容體系如表1所示。

表1 磁場(chǎng)的內(nèi)容體系

磁場(chǎng)的教學(xué)思路和內(nèi)容，要求磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)注意：

1.遞進(jìn)式培養(yǎng)學(xué)生的觀察感知能力。學(xué)生首次接觸磁場(chǎng)這種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)，若要讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中感知磁場(chǎng)的存在，應(yīng)該先引導(dǎo)他們形成觀察感知能力。在生活中，我們看見(jiàn)樹(shù)葉晃動(dòng)，就知道風(fēng)的存在，所以在教學(xué)中應(yīng)該讓學(xué)生先在類(lèi)比實(shí)驗(yàn)中形成觀察感知能力，再把這種能力遷移到磁場(chǎng)的感知中。

2.研究磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)有序切入。用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)要求學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)綜合能力，所以研究磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)不但要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察分析，而且應(yīng)該有明確的切入點(diǎn)和清晰的研究思路。例如以小磁針作為載體，按“點(diǎn)→線→面→體”的順序進(jìn)行研究，逐步引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)，更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

下面詳細(xì)闡述磁場(chǎng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

一、“感知磁場(chǎng)存在”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)是看不見(jiàn)摸不著的，如何讓學(xué)生感知磁場(chǎng)的存在呢？普通實(shí)驗(yàn)措施：將一條形磁鐵靠近靜止的小磁針（如圖4所示），讓學(xué)生觀察小磁針的變化情況，然后引導(dǎo)學(xué)生得出磁場(chǎng)存在的結(jié)論。

圖4

評(píng)價(jià)：教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感知磁場(chǎng)的存在，但是學(xué)生并沒(méi)有形成直接感知磁場(chǎng)存在的能力。實(shí)驗(yàn)前教師沒(méi)有對(duì)學(xué)生進(jìn)行思維啟發(fā)，學(xué)生沒(méi)有形成分析能力，很難分析出磁場(chǎng)的存在。建議在做此實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備一些前提實(shí)驗(yàn)，用來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的分析能力。具體實(shí)驗(yàn)步驟如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及目的

分析：實(shí)驗(yàn)①、②能幫助學(xué)生形成分析能力。實(shí)驗(yàn)①：用手撥小磁針使其轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)槭謱?duì)小磁針有力的作用。實(shí)驗(yàn)②：用嘴吹小磁針使其轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)榭諝鈱?duì)小磁針有力的作用，本實(shí)驗(yàn)還讓學(xué)生體會(huì)到：不直接接觸的兩個(gè)物體，也可以通過(guò)其他物質(zhì)（如風(fēng)）產(chǎn)生力的作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)①、②讓學(xué)生形成一定的分析能力，進(jìn)而用這種能力分析實(shí)驗(yàn)③。詳細(xì)分析過(guò)程如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程

三個(gè)實(shí)驗(yàn)的相互關(guān)系如表4所示。

表4 三個(gè)實(shí)驗(yàn)的相互關(guān)系

實(shí)驗(yàn)③的分析：條形磁鐵沒(méi)有接觸小磁針，為什么小磁針會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)？這說(shuō)明磁體周?chē)嬖谝环N物質(zhì)，磁鐵就是通過(guò)這種物質(zhì)對(duì)小磁針產(chǎn)生力的作用。這種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)，我們就把它稱為磁場(chǎng)。這樣層層遞進(jìn)，逐步引導(dǎo)，學(xué)生就能從實(shí)驗(yàn)中感知磁場(chǎng)的存在。

二、“認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)具有方向性”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于看不見(jiàn)的磁場(chǎng)，如何研究它的方向性呢？生活中的風(fēng)也是看不見(jiàn)的，但是我們依據(jù)彩帶飄動(dòng)的方向，就可以感知風(fēng)的吹動(dòng)方向。在保證效果相同的前提下，將不可見(jiàn)、不易見(jiàn)的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)、易見(jiàn)的現(xiàn)象；將陌生、復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成熟悉、簡(jiǎn)單的問(wèn)題；將難以測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量，這種方法是轉(zhuǎn)換法。初中物理在研究概念、規(guī)律和實(shí)驗(yàn)中常用這種方法。磁場(chǎng)雖然看不見(jiàn)摸不著，但是磁場(chǎng)對(duì)放入其中的物體會(huì)有力的作用，因此可以根據(jù)小磁針在磁場(chǎng)中的指向來(lái)判斷磁場(chǎng)的方向，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

1.把小磁針?lè)湃氪艌?chǎng)中的某一位置，讓學(xué)生觀察小磁針的南北極指向。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖8所示。

圖8 相同點(diǎn)的磁場(chǎng)方向的研究實(shí)驗(yàn)

2.用手重復(fù)撥動(dòng)靜止在磁場(chǎng)中的小磁針，松手后讓學(xué)生觀察小磁針有什么現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小磁針靜止后仍保持原來(lái)的指向。

3.換另一個(gè)小磁針重復(fù)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察小磁針有什么現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小磁針靜止后的指向和前一個(gè)小磁針的指向相同。

4.在磁場(chǎng)中不同的點(diǎn)放入小磁針，觀察小磁針北極的指向是否相同。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：不同點(diǎn)的小磁針的北極指向不同（如圖9所示）。

圖9 不同點(diǎn)的磁場(chǎng)方向的研究實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分析：某處小磁針北極總是指向一個(gè)方向，說(shuō)明小磁針受力方向不變。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：磁場(chǎng)有方向。同一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向不變，不同點(diǎn)的磁場(chǎng)方向不同。

教師解析：物理學(xué)規(guī)定，把小磁針?lè)旁诖艌?chǎng)中的某一點(diǎn)，小磁針靜止時(shí)北極所指的方向定為該點(diǎn)的磁場(chǎng)方向。例如在圖10中，A點(diǎn)的磁場(chǎng)方向如圖11所示。

圖10

圖11

從同一點(diǎn)到不同點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)下，更有利于學(xué)生用小磁針的北極指向來(lái)判定磁場(chǎng)的方向。

三、“用磁感線描述磁場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生雖然知道了如何判斷磁場(chǎng)的方向，但依然看不見(jiàn)磁場(chǎng)。如何讓看不見(jiàn)的磁場(chǎng)變得“可見(jiàn)”呢？風(fēng)吹彩帶時(shí)，可根據(jù)彩帶飄動(dòng)的樣子，用帶箭頭的曲線描畫(huà)出“風(fēng)”。同樣，我們也可以根據(jù)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的效應(yīng)，用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)。用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)要求學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)綜合能力，所以教師不但要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察分析，更應(yīng)該有明確的切入點(diǎn)和清晰的實(shí)驗(yàn)思路。為此，以小磁針為載體，按“點(diǎn)→線→面→體”的順序進(jìn)行研究，逐步引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)。上面的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)從“點(diǎn)”上研究了磁場(chǎng)。那么不同點(diǎn)的磁場(chǎng)方向之間有沒(méi)有什么規(guī)律呢？實(shí)驗(yàn)探究如下。

1.磁場(chǎng)的線性研究：在條形磁鐵附近放入小磁針，觀察小磁針的排列情況。

小磁針的排列情況如圖12所示。

圖12

實(shí)驗(yàn)分析：小磁針在磁場(chǎng)中的排列情況可以用一些曲線連起來(lái)（如圖13），曲線上任一點(diǎn)的方向和小磁針的北極指向相同。

圖13

磁感線的引入：把小磁針在磁場(chǎng)中的排列情況用一些帶箭頭的曲線連起來(lái)，可以形象地描述磁場(chǎng)，這樣的曲線叫作磁感線。在磁體的外部，磁感線從北極出發(fā)，回到南極。

注意：磁感線是為了描述磁場(chǎng)而引入的，磁感線并不真實(shí)存在。

2.磁場(chǎng)的平面性研究（如果把小磁針換成細(xì)小的鐵屑，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯）。

做法：把玻璃板分別放在條形磁鐵、U 形磁鐵，兩個(gè)同名磁極及兩個(gè)異名磁極的磁鐵上，在玻璃板上均勻?yàn)⑸翔F屑，然后輕輕敲擊玻璃板，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)的分布情況如圖14、圖15、圖16、圖17 所示，學(xué)生可以通過(guò)觀察鐵屑的分布情況，了解磁場(chǎng)的分布。

圖14 條形磁鐵的磁場(chǎng)分布

圖15 U形磁鐵的磁場(chǎng)分布

圖16 兩個(gè)N極相對(duì)時(shí)的磁場(chǎng)分布

圖17 S極和N極相對(duì)時(shí)的磁場(chǎng)分布

3.磁場(chǎng)的立體性研究。

（1）出示磁場(chǎng)空間分布演示儀（如圖18），讓學(xué)生觀察小磁針的分布情況。

圖18 加入磁場(chǎng)前

（2）在磁場(chǎng)空間分布演示儀中放入條形磁鐵（如圖19），讓學(xué)生觀察小磁針的分布情況。

圖19 加入磁場(chǎng)后

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：磁鐵周?chē)目臻g都存在磁場(chǎng)。

原本抽象復(fù)雜的磁場(chǎng)，在實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)和啟發(fā)下變得通俗易懂。而在按“點(diǎn)→線→面→體”順序進(jìn)行遞進(jìn)式的研究的過(guò)程中，學(xué)生不但感知了磁場(chǎng)的存在，會(huì)判定磁場(chǎng)的方向，而且學(xué)會(huì)了用磁感線描述磁場(chǎng)。在這些實(shí)驗(yàn)的引導(dǎo)下，學(xué)生的思維得到了訓(xùn)練，形成了較強(qiáng)的分析感知能力。