黃利華

(江蘇省啟東中學(xué),江蘇 啟東226200)

巧用問題驅(qū)動(dòng) 培養(yǎng)核心素養(yǎng)①
——以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”的教學(xué)為例

黃利華

(江蘇省啟東中學(xué),江蘇 啟東226200)

筆者沒有采用電場(chǎng)強(qiáng)度作類比的方法建立磁感應(yīng)強(qiáng)度概念，打破已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),是一次全新的嘗試和挑戰(zhàn)。本節(jié)課采用三個(gè)問題驅(qū)動(dòng)、科學(xué)猜想和實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合的策略,達(dá)成了培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度;問題驅(qū)動(dòng);科學(xué)猜想;核心素養(yǎng)

1 引言

筆者參加了2016年南通市高中物理優(yōu)質(zhì)課比賽并榮獲一等獎(jiǎng)，上課內(nèi)容是人教版選修3-1第三章第二節(jié)“磁感應(yīng)強(qiáng)度”,授課對(duì)象是高一學(xué)生,他們剛學(xué)完牛頓運(yùn)動(dòng)定律,尚未接觸到電磁學(xué)的內(nèi)容。給這些學(xué)生講授“磁感應(yīng)強(qiáng)度”是一種全新的嘗試,以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)都不適用了,必須打破固有的教學(xué)模式才行。筆者從新高一學(xué)生的認(rèn)知水平出發(fā),通過問題驅(qū)動(dòng),結(jié)合科學(xué)猜想和實(shí)驗(yàn)探究，逐步建立“磁感應(yīng)強(qiáng)度”這個(gè)比較抽象的概念,并在教學(xué)過程中注重提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 問題與探究

2.1 磁場(chǎng)的強(qiáng)弱怎么描述

學(xué)生已經(jīng)知道磁體和通電導(dǎo)線周圍存在磁場(chǎng),但磁場(chǎng)看不見、摸不著,總之人的感官無法體驗(yàn)到磁場(chǎng)的存在,硬說它是一種客觀存在的確難以讓人信服。如何感受一個(gè)看不見、摸不著的磁場(chǎng)呢？那就要借助某種工具來探知磁場(chǎng)的存在,因?yàn)樾〈裴樤诖艌?chǎng)中會(huì)受到力的作用,所以學(xué)生很自然想到了小磁針這個(gè)工具,并依據(jù)其指向確立磁場(chǎng)的方向。這一步看似簡(jiǎn)單,實(shí)則不易，這是人類借助工具探測(cè)到了一種未知的客觀存在——磁場(chǎng),因此建立了磁場(chǎng)的物質(zhì)觀。

接下來學(xué)生就會(huì)很自然地提出“磁場(chǎng)既然有方向那有強(qiáng)弱之分嗎”“磁場(chǎng)的強(qiáng)弱怎么描述”“磁場(chǎng)的強(qiáng)弱能用力的大小反映嗎”等相關(guān)的問題。

為此筆者設(shè)計(jì)了“用兩塊不同磁鐵分別吸相同啞鈴”的演示實(shí)驗(yàn),兩位同學(xué)參與演示實(shí)驗(yàn),用其中一塊磁鐵把啞鈴吸了起來,用另一塊卻吸不起來。真實(shí)展現(xiàn)了磁鐵周圍的磁場(chǎng)是有強(qiáng)弱之分的,同時(shí)學(xué)生也發(fā)現(xiàn)可以用作用力的大小來初步反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。小磁針在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用,或許可以用小磁針的受力大小來反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。但仔細(xì)研究卻發(fā)現(xiàn)小磁針的兩極在磁場(chǎng)中受力大小相等,方向相反,合力為零，看來小磁針不能擔(dān)此重任。如果存在磁單極子就好了,可惜科學(xué)家至今尚未找到它。

本環(huán)節(jié)通過對(duì)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)弱的分析,明確了磁場(chǎng)雖然看不見、摸不著,但它的確是一種客觀存在的物質(zhì),使學(xué)生初步形成磁場(chǎng)的物質(zhì)觀和磁場(chǎng)與試探物的相互作用觀,為接下來的探究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力是怎樣的

在放棄小磁針的情況下,想到“通電導(dǎo)線”也會(huì)受到磁場(chǎng)力作用。但“通電導(dǎo)線”是一種“線模型”,它有別于“點(diǎn)模型”,這就涉及導(dǎo)線放置的方向和受力的方向問題。學(xué)生猜測(cè)“導(dǎo)線和磁場(chǎng)方向間夾角不同、受力不同或相同”“導(dǎo)線受力方向沿著導(dǎo)線或垂直導(dǎo)線”,學(xué)生帶著這些猜想進(jìn)行定性的分組實(shí)驗(yàn)(如圖1)。

圖1

通過分組實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生發(fā)現(xiàn)一個(gè)事實(shí)：當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直時(shí),通電導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力比較大；當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)不垂直時(shí),通電導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力要小一些。由于實(shí)驗(yàn)裝置所限,學(xué)生無法得到定量的數(shù)據(jù),也無法調(diào)整到磁場(chǎng)和通電導(dǎo)線平行,所以尚且不知道平行時(shí)的受力情況,但至少知道了通電導(dǎo)線放在同一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)受力不是一個(gè)定值。

為了克服上述裝置的不足,筆者重新設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置,用細(xì)漆包線繞制有多個(gè)抽頭的線圈,將它的下邊放入磁場(chǎng)中,選用比較大的蹄形磁鐵,確保蹄形磁鐵的磁場(chǎng)能和通電導(dǎo)線轉(zhuǎn)到任意夾角位置。線圈固定在力傳感器的鉤子上,用DIS系統(tǒng)可以定量測(cè)出通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)成不同夾角時(shí)受力的大小。

圖2

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)平行時(shí),通電導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力為零；當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)不平行時(shí),通電導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力不為零；當(dāng)通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直時(shí),通電導(dǎo)線所受的磁場(chǎng)力最大。

為了方便起見,可以用通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直時(shí)的受力大小來反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。

本環(huán)節(jié)先通過分組實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)力的大小有了一個(gè)定性的了解,再通過師生配合完成改進(jìn)后的演示實(shí)驗(yàn)，測(cè)出了定量的數(shù)據(jù),使學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)的“性格”有了更深刻的認(rèn)識(shí)。本環(huán)節(jié)側(cè)重于訓(xùn)練學(xué)生的動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑與創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)探究等能力。

2.3 導(dǎo)線受力能直接反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小嗎

為了把磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用力充分表現(xiàn)出來,應(yīng)該選擇通電導(dǎo)線與磁場(chǎng)垂直時(shí)的受力大小反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。但是通電導(dǎo)線長(zhǎng)度不同時(shí)受力也相同嗎？

使用DIS系統(tǒng),測(cè)出新裝置中當(dāng)導(dǎo)線中電流(I=0.3A)一定時(shí),通電導(dǎo)線受到的作用力F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的數(shù)值。導(dǎo)線的長(zhǎng)度可以取不同的匝數(shù)來改變。得到表1中的數(shù)據(jù),并求出F與L的比值。

表1

當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度改變時(shí),受到的磁場(chǎng)力也會(huì)改變,說明不能用受力直接反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。但磁場(chǎng)力F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的比值在誤差允許范圍內(nèi)是相等的,也即F與L成正比。

同樣道理,測(cè)出當(dāng)導(dǎo)線的長(zhǎng)度(L=7m)一定時(shí),通電導(dǎo)線受到的作用力F與導(dǎo)線中的電流I的數(shù)值，導(dǎo)線中的電流由外電路控制，得到圖3中的數(shù)據(jù)。

圖3

DIS系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能,對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)擬合。當(dāng)電流改變時(shí),導(dǎo)線受到的磁場(chǎng)力也會(huì)變化,說明不能用受力直接反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。但磁場(chǎng)力F與導(dǎo)線中的電流I的比值在誤差允許范圍內(nèi)是相等的,也即F與I成正比(如圖4)。

圖4

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在某一確定的磁場(chǎng)中,通電導(dǎo)線和磁場(chǎng)垂直時(shí),改變電流會(huì)改變通電導(dǎo)線受到磁場(chǎng)力的大小,改變導(dǎo)線的長(zhǎng)度會(huì)改變通電導(dǎo)線受到磁場(chǎng)力的大小。那說明不能用通電導(dǎo)線受到磁場(chǎng)力的大小來直接反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。但卻有另一個(gè)發(fā)現(xiàn)：磁場(chǎng)力F與電流I成正比,與導(dǎo)線長(zhǎng)度L成正比,也即與IL的乘積成正比,寫成等式即F=BIL。

本環(huán)節(jié)由幾個(gè)學(xué)生配合，自主完成實(shí)驗(yàn)的操作和數(shù)據(jù)的測(cè)量。有了前面學(xué)生和老師的合作實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷,這次學(xué)生們完全可以獨(dú)立操作和分析,測(cè)出的數(shù)據(jù)也非常好，通過這個(gè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，大大提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和數(shù)據(jù)分析能力。

3 教師的點(diǎn)撥

電流I一定時(shí),力F與長(zhǎng)度L成正比,說明B不隨長(zhǎng)度的變化而變化。長(zhǎng)度L一定時(shí),力F與電流I成正比,說明B不隨電流的變化而變化。也即等式F=BIL中的B是一個(gè)與導(dǎo)線長(zhǎng)度和電流大小無關(guān)的物理量。在同一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中這個(gè)B是相同的,但在不同的磁場(chǎng)中這個(gè)B一般是不同的,看來B就是表征磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量。

當(dāng)給出磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義式、單位后,讓學(xué)生根據(jù)前面兩次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)分別算出磁感應(yīng)強(qiáng)度為110mT和109mT。這是通過兩種不同實(shí)驗(yàn)條件得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度,在誤差允許范圍內(nèi)相等,充分說明了這就是要尋找的描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

如果有一種儀器能夠直接測(cè)出磁感應(yīng)強(qiáng)度,而且測(cè)出值與前面兩個(gè)值在誤差允許范圍內(nèi)相等,那就更令人信服了。此處用語(yǔ)言渲染一下氛圍,頓一頓,吊足學(xué)生的胃口,然后再拿出特斯拉計(jì)(如圖5),介紹這就是測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器,并對(duì)特斯拉計(jì)的使用方法作一下說明。接著可以請(qǐng)兩位學(xué)生使用特斯拉計(jì)測(cè)量上述實(shí)驗(yàn)中所用磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度,結(jié)果為110mT,這是多么令人興奮的數(shù)據(jù)??！再用特斯拉計(jì)測(cè)“磁鐵吸啞鈴”實(shí)驗(yàn)中兩塊不同條形磁鐵磁極附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)它們的磁感應(yīng)強(qiáng)度差別很大,徹底弄清了引入實(shí)驗(yàn)中的疑惑,前后呼應(yīng),豁然開朗。

圖5

最后給學(xué)生介紹一下特斯拉,他是一個(gè)大發(fā)明家,一生的專利有上千個(gè)。如果他申請(qǐng)交流電專利的話,只要過兩三年就可以成為世界首富,但他放棄了交流電的專利，供世人無償使用。

介紹特斯拉的事跡,除了讓學(xué)生了解科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)外,也讓學(xué)生感受到科學(xué)家的人格魅力和社會(huì)責(zé)任感,旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

4 結(jié)語(yǔ)

在本節(jié)課中學(xué)生在教師的指引下，通過不斷質(zhì)疑，不斷思考,通過三個(gè)問題層層推進(jìn),通過探究實(shí)驗(yàn)步步展開,弄清了描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度。課堂上使用DIS系統(tǒng)和數(shù)字特斯拉計(jì),學(xué)生非常感興趣,參與度非常高,達(dá)成了培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

[1] 彭前程.積極探索基于核心素養(yǎng)理念下的物理教學(xué)[J].中學(xué)物理,2016,(2):1-2.

[2] 耿書娟.人性的物理不冷漠——淺談物理教材中科學(xué)家的介紹[J].物理之友,2016,(12):29-30.

①本文系南通市教育科學(xué)“十二五”課題“科學(xué)猜想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究”的成果之一。