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        “磁場(chǎng)”前四節(jié)教學(xué)順序調(diào)整及教學(xué)要點(diǎn)建議

        2014-06-29 09:02:24王麗軍
        物理通報(bào) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:磁感線強(qiáng)磁場(chǎng)安培力

        王麗軍

        (北京師范大學(xué)良鄉(xiāng)附屬中學(xué) 北京 1024 88 )

        1 教材介紹

        人教版高中《物理·選修3-1》第三章“磁場(chǎng)”前四節(jié)的內(nèi)容是:磁現(xiàn)象和磁場(chǎng);磁感應(yīng)強(qiáng)度;幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng);通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力.教材編寫的內(nèi)容線索,如圖1.

        圖1

        這樣編寫的原因(選自選修3-1教師教學(xué)用書):“以往教科書多把磁現(xiàn)象和幾種典型電流磁場(chǎng)的磁感線分布設(shè)為一節(jié).在本書第三章磁場(chǎng)里把這些內(nèi)容分為兩節(jié)(第一節(jié)、第三節(jié)),而且還在這兩節(jié)之間安排一節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度.這是出于什么考慮呢?因?yàn)檫@部分內(nèi)容不僅信息量較多,而且蘊(yùn)含有豐富的三維目標(biāo),特別是“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”方面的教育素材.在課文中,我們用較大的篇幅介紹了電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷史.這是因?yàn)?,電流磁效?yīng)的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn).它不是一個(gè)一般的科技進(jìn)步,而是一次科學(xué)革命.奧斯特的發(fā)現(xiàn)改變了人們的自然觀、世界觀和思維方式(從相互聯(lián)系中考察事物).同時(shí),這段科學(xué)史也是科學(xué)思維中傳統(tǒng)與創(chuàng)新交鋒和突破的生動(dòng)事例,它同時(shí)還展示了創(chuàng)新思維的重要和時(shí)代局限性對(duì)創(chuàng)新的羈絆.因此,是科學(xué)史上不可多得的優(yōu)秀素材,在課文中應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋硎觯?/p>

        另外,這樣安排也是為了讓教科書編排上有一些張馳相間的節(jié)奏感.第一節(jié)、第三節(jié)的內(nèi)容都比較容易,定性的闡釋比較多,也不涉及復(fù)雜的定量計(jì)算.將其連貫安排也不是不可以,但顯得太松,而后面幾節(jié)都是傳統(tǒng)上的核心內(nèi)容,難度較大,連續(xù)安排又會(huì)顯得太急促.現(xiàn)在這樣安排,似乎更合理一些,而且從系統(tǒng)性上也說(shuō)得通,先介紹了磁場(chǎng)的一般現(xiàn)象,然后分別介紹描述磁場(chǎng)的兩種方式(磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感線),再繼續(xù)研究磁場(chǎng)對(duì)電流和運(yùn)動(dòng)電荷的作用力及其廣泛的應(yīng)用.應(yīng)該說(shuō),邏輯線索還是比較清晰的.”

        歸納起來(lái)教材這樣編排的原因:

        (1)電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn),在教學(xué)中應(yīng)予以應(yīng)有的重視.

        (2)磁現(xiàn)象、磁場(chǎng)和幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)比較容易,另外兩節(jié)比較難,教材這樣編排有張馳相間的節(jié)奏感.

        (3)理論上邏輯線索比較清晰.

        2 教學(xué)順序的調(diào)整建議

        2.1 教學(xué)順序調(diào)整

        第一節(jié)至第四節(jié)的順序分別為,“一、磁現(xiàn)象和磁場(chǎng);二、幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)(地磁場(chǎng));三、通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力;四、磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”.

        將教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié),第二節(jié)調(diào)到第四節(jié),第四節(jié)調(diào)到第三節(jié),并將原第一節(jié)地磁場(chǎng)的知識(shí)放到幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)中,將第三節(jié)磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度放在一節(jié).

        2.2 順序調(diào)整原因

        (1)把教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié)

        雖然學(xué)生在初中已較深入地學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)的基本性質(zhì)及磁場(chǎng)的定性描述,但遺忘很嚴(yán)重.對(duì)于直導(dǎo)線和電流環(huán)磁場(chǎng)方向的判斷方法掌握得不牢固,對(duì)磁感線分布特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)也不夠精準(zhǔn),同時(shí)對(duì)于磁體內(nèi)部磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也不夠.此外,學(xué)生的空間感知能力比較弱,想象不出磁場(chǎng)的空間分布,也不容易畫出平面圖.所以這部分內(nèi)容并不簡(jiǎn)單.

        教材中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的概念出現(xiàn)在第三節(jié),但是在第二節(jié)“探究影響通電導(dǎo)線受力因素”的實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)了勻強(qiáng)磁場(chǎng)的詞,而且實(shí)際上也是用勻強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)做的實(shí)驗(yàn),教學(xué)內(nèi)容邏輯有些混亂.教學(xué)順序調(diào)整后“勻強(qiáng)磁場(chǎng)”的概念如何定義呢?仍然可以用教材中的說(shuō)法,“它是強(qiáng)弱、方向處處相同的磁場(chǎng).距離很近的兩個(gè)平行的異名磁極之間的磁場(chǎng),除邊緣部分外,可以認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場(chǎng).勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線是一些間隔相同的平行直線.”

        教材中在第三節(jié)講“磁感線”,但在第一節(jié)卻出現(xiàn)了“地磁場(chǎng)”的磁感線.

        這樣安排仍然是重視三維課程目標(biāo)的落實(shí),前兩節(jié)內(nèi)容仍然安排兩課時(shí).

        (2)把引入“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念放在安培力之后

        在初中學(xué)生對(duì)安培力已有接觸,在第一節(jié)也做了實(shí)驗(yàn),但學(xué)生僅僅知道磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用,不清楚安培力產(chǎn)生的條件和大小特點(diǎn),在引入磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“導(dǎo)線應(yīng)與磁場(chǎng)垂直放置”就沒(méi)有根據(jù),只能硬給學(xué)生,或者說(shuō)下節(jié)課再繼續(xù)研究.

        按照原來(lái)的教材順序講,在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)中要做探究實(shí)驗(yàn):影響電流在磁場(chǎng)中受力的相關(guān)因素有哪些?在“安培力”一節(jié)也要做類似的實(shí)驗(yàn),只不過(guò)明確了安培力與電流、磁場(chǎng)夾角的關(guān)系.部分教學(xué)內(nèi)容是重復(fù)的.

        從知識(shí)學(xué)習(xí)的角度看,對(duì)安培力的大小和方向的認(rèn)識(shí)不僅是引入磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的基礎(chǔ),也是聯(lián)系力學(xué)問(wèn)題與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的紐帶,有著承上啟下的作用,用磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量描述磁場(chǎng)是本章重點(diǎn).這兩部分順序調(diào)整從知識(shí)的邏輯關(guān)系上更合理.調(diào)整后的內(nèi)容線索如圖2.

        圖2

        3 調(diào)整后各節(jié)的教學(xué)要點(diǎn)

        第一節(jié) 磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)

        由于學(xué)生在初中已較深入地學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)的基本性質(zhì)及磁場(chǎng)的定性描述,所以,本部分內(nèi)容建議采用復(fù)習(xí)加閱讀的方式進(jìn)行.

        可在教材內(nèi)容基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些與奧斯特實(shí)驗(yàn)有關(guān)的歷史背景材料,幫助學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)的重大意義,體現(xiàn)學(xué)史教育的人文功能.

        第二節(jié) 幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)

        在做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,闡明磁感線的繪制方法,歸納特點(diǎn).

        在本章的學(xué)習(xí)中,營(yíng)造學(xué)生的空間感是十分重要的.利用三維動(dòng)畫使學(xué)生建立磁感線的立體圖景.

        熟練掌握安培定則,繪制電流磁場(chǎng)的三視圖(側(cè)視圖、俯視圖、剖面圖).

        定義勻強(qiáng)磁場(chǎng):磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向都不變的那部分磁場(chǎng)區(qū)域稱為勻強(qiáng)磁場(chǎng),用磁感線表示,就是“磁感線平行且間距相等的磁場(chǎng)區(qū)域是勻強(qiáng)磁場(chǎng)”.由于所有磁場(chǎng)的磁感線都是閉合曲線,因此,真正的勻強(qiáng)磁場(chǎng)是不存在的,它只在一定的范圍內(nèi)可以近似看作勻強(qiáng)磁場(chǎng).可以看作勻強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域包括兩個(gè)異名磁極間的區(qū)域、通電螺線管的內(nèi)部區(qū)域、兩個(gè)平行放置的電流同向線圈之間的區(qū)域.說(shuō)明:蹄形磁鐵兩股之間的區(qū)域不是勻強(qiáng)磁場(chǎng),但其靠近磁極的前區(qū)域常??梢越谱鳛閯驈?qiáng)磁場(chǎng)對(duì)待.

        知道分子電流假說(shuō)的內(nèi)容,但更重要的是使學(xué)生認(rèn)識(shí)到它的思想價(jià)值,感受物理學(xué)理論的和諧與統(tǒng)一.

        第三節(jié) 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力

        做好以下有關(guān)實(shí)驗(yàn):

        演示實(shí)驗(yàn)1:通電的方形線圈在磁場(chǎng)中受力

        實(shí)驗(yàn)儀器:蹄形磁鐵,懸掛在鐵架臺(tái)上的矩形線圈,導(dǎo)線,電源,開(kāi)關(guān),滑動(dòng)變阻器.

        實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生認(rèn)識(shí)安培力,說(shuō)明安培力的方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān).

        結(jié)論:通電線圈在磁場(chǎng)中受力,使線圈偏離豎直位置.線圈加速的方向是合外力的方向,不一定是安培力方向.如何準(zhǔn)確確定安培力的方向呢?還需要再研究安培力方向的特點(diǎn).

        演示實(shí)驗(yàn)2:通電銅棒在磁場(chǎng)中受力

        實(shí)驗(yàn)儀器:強(qiáng)磁場(chǎng),導(dǎo)體棒,由電容器放電提供電流.(如圖3所用儀器為原大峪中學(xué)教師自制)

        圖3

        (1)銅棒與磁場(chǎng)方向垂直放置,閉合開(kāi)關(guān),銅棒豎起向上跳起,俯視圖如圖4所示.

        圖4

        圖5

        說(shuō)明:安培力的方向豎直向上,并且和電流方向垂直,也和磁場(chǎng)方向垂直.

        (2)銅棒與磁場(chǎng)方向不垂直放置(也不平行),閉合開(kāi)關(guān),銅棒仍然豎直向上跳起,俯視圖如圖5所示.

        說(shuō)明:安培力的方向仍然是豎直向上的.

        結(jié)論:安培力和電流方向垂直,也和磁場(chǎng)方向垂直,即安培力垂直于電流和磁場(chǎng)決定的平面.

        根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以得出演示實(shí)驗(yàn)1中安培力的準(zhǔn)確方向,并提出可以用左手記憶三者之間的關(guān)系.

        演示實(shí)驗(yàn)3:研究通電導(dǎo)線受到的安培力的大小與電流和磁場(chǎng)之間夾角的關(guān)系

        實(shí)驗(yàn)儀器及注意事項(xiàng)(如圖6所用儀器為原大峪中學(xué)教師自制):將矩形線框懸掛在電子稱上,為排除線框重力的影響,可以先對(duì)電子稱調(diào)零.將線框與電源、滑動(dòng)變阻器連接構(gòu)成回路,將線框的下邊放在強(qiáng)磁場(chǎng)中,強(qiáng)磁場(chǎng)安放在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上,可以調(diào)整電流和磁場(chǎng)方向的夾角.

        圖6

        調(diào)節(jié)電流到2.5A左右,電流、線圈長(zhǎng)度不變,依次改變電流和磁場(chǎng)之間的夾角分別為90 °,60 °,45 °,30 °和0°,學(xué)生觀察安培力的變化并記錄角度及與之對(duì)應(yīng)的安培力的大?。?/p>

        結(jié)論:1)當(dāng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)體棒中電流方向垂直時(shí)受到的安培力最大,電流方向與磁感線之間的夾角減小時(shí),安培力隨之減小.

        2)當(dāng)電流方向與磁感線方向平行時(shí),安培力的大小為零.

        演示實(shí)驗(yàn)4:研究通電導(dǎo)線受到的安培力的大小與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖6,調(diào)整電流和磁場(chǎng)之間的夾角為90 °,逐漸增大導(dǎo)線中的電流大小,測(cè)量安培力的大?。?,改變線圈的大小,測(cè)量安培力的大小.

        結(jié)論:安培力的大小與電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比.

        電流、磁場(chǎng)、安培力三者方向的空間關(guān)系對(duì)學(xué)生來(lái)講是個(gè)難點(diǎn),可以用簡(jiǎn)單的教具展示這個(gè)空間關(guān)系.在分析時(shí)將立體圖畫成平面圖,即畫成俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等,使較為抽象的物理問(wèn)題簡(jiǎn)單化.

        第四節(jié) 磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量

        通過(guò)上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析得出在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,F(xiàn)∝I L,即是恒量;磁場(chǎng)改變時(shí),比值也改變反映了通電導(dǎo)線所在處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.對(duì)于非勻強(qiáng)磁場(chǎng),建立電流元I L的理想化模型,分析其受力特點(diǎn),定義磁感應(yīng)強(qiáng)度.

        歸納、類比、深化對(duì)“引入探測(cè)物”和比值法定義物理量的認(rèn)識(shí).

        由磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義推導(dǎo)安培力公式,并結(jié)合矢量分解的思想拓展到B與I不垂直的情況.

        了解自然界磁場(chǎng)與人工磁場(chǎng),體會(huì)“1特斯拉”究竟有多大.

        初步了解電動(dòng)機(jī)和磁電式電表的工作原理.

        建立正確的磁通量概念,明確與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系,會(huì)簡(jiǎn)單計(jì)算在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁通量的大小.

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