嚴(yán)涵

(南通大學(xué)附屬中學(xué) 江蘇 南通 226001)

當(dāng)前基于“培養(yǎng)核心素養(yǎng)，提升關(guān)鍵能力”的新一輪教學(xué)改革正如火如荼的進行著.高中物理所教知識體系基本沒有變化，但是如何在不變中，結(jié)合當(dāng)代學(xué)生學(xué)習(xí)特點，實踐出一條符合時代要求的高效物理課堂教學(xué)法，需要教師不斷地摸索與嘗試.在信息技術(shù)日新月異發(fā)展的過程中，如何結(jié)合新媒體技術(shù)與傳統(tǒng)物理課堂教學(xué)，讓兩者有機融合，筆者做了一定的嘗試.下面就以人教版選修3-1“磁場”一章中的“磁場對通電導(dǎo)線的作用力”課堂實錄為例,談?wù)勑畔⒓夹g(shù)與物理課堂教學(xué)的融合思路.

本節(jié)知識需要學(xué)生知道什么是安培力.知道左手定則是判斷通電導(dǎo)線在磁場中所受安培力方向的基本方法.但由于左手定則的三維空間感要求高，學(xué)生不容易掌握，因此采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓抽象變成“現(xiàn)實”，有利于學(xué)生快速地理解和掌握定則內(nèi)容.而如何理解安培力大小與電流和磁場的空間關(guān)系又是一個難點，這涉及到空間矢量的合成與分解.課堂上采用數(shù)字傳感系統(tǒng)就可以直觀反映安培力大小的變化特點，化繁為簡.因此，本節(jié)課采用信息技術(shù)與課堂教學(xué)的融合，可以使學(xué)習(xí)過程事半功倍.也使學(xué)生通過學(xué)習(xí)認(rèn)知由個別事物的個性來認(rèn)識一般事物的共性，了解這是認(rèn)識事物的一種重要的科學(xué)方法.并通過信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合，直觀感受自然現(xiàn)象與物理知識之間的聯(lián)系.

1 引入 定義安培力

小實驗引入：(激發(fā)學(xué)習(xí)興趣)

將磁體、電池、線框如圖1組裝，觀察現(xiàn)象.調(diào)換磁體方向，觀察現(xiàn)象變化.

圖1 實驗組裝

現(xiàn)象：線框會旋轉(zhuǎn).調(diào)換磁極，旋轉(zhuǎn)方向改變.

(1)磁鐵、電池、線框相互組合提供了哪些物理量因素？

(2)線框為什么會從靜止到旋轉(zhuǎn)？

(3)調(diào)換磁極方向，線圈旋轉(zhuǎn)方向改變說明什么？

答(1)：提供了磁場(B)、電流(I).

答(2)：力改變了線框的運動狀態(tài).

答(3)：調(diào)換磁極方向，線圈受力方向反向.

由此可以看出當(dāng)通電導(dǎo)線在磁場中，就有可能受到力的作用.物理學(xué)中我們將這種力定義為安培力.

信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)融合1：

多媒體網(wǎng)絡(luò)視頻展示安培力的應(yīng)用，從情感、價值觀上培養(yǎng)學(xué)生愛國主義情懷.

驅(qū)動小線框的安培力只是它的一種用途，安培力在工程技術(shù)和國防建設(shè)中有著巨大的作用.下面來看這幾段視頻：磁懸浮，電磁彈射，電磁炮等.可以看到小小的安培力不但可以驅(qū)動列車高速前進，還能成為保家衛(wèi)國的國之重器，因此我們需要認(rèn)真研究安培力.

2 理論分析 實驗探究安培力大小的一般表達式

復(fù)習(xí)遷移(知識回顧，引發(fā)思考):通電導(dǎo)線在磁場中是否就一定受安培力作用？

當(dāng)B與I垂直時,F安=BIL；當(dāng)B與I平行時,F安=0.

說明安培力的大小還跟B與I的方向有關(guān).具體說就是B與I的夾角影響了安培力的大小.那么當(dāng)B與I的夾角為θ時，直導(dǎo)線受到的安培力多大？

方法1：實驗驗證法

如圖2所示，采用朗威DIS數(shù)字傳感器：微力傳感器，安培力演示儀器.通過轉(zhuǎn)動磁場方向觀察安培力大小變化，通過設(shè)定安培力與角度函數(shù)圖像直觀感受F安=BILsinθ.

圖2 實驗驗證安培力大小變化

信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)融合2：

利用數(shù)字化傳感器對安培力(F)隨磁場與電流方向角度(θ)變化的關(guān)系，進行數(shù)據(jù)采集.同時通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)分享給每組同學(xué)，讓每組同學(xué)利用小組計算機進行數(shù)據(jù)分析.這樣既可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分享，同時也讓學(xué)生掌握利用信息技術(shù)分析數(shù)據(jù)，進而得出規(guī)律結(jié)果的現(xiàn)代化探究能力.

方法2：矢量分解法

把磁感應(yīng)強度B分解為兩個分量,如圖3所示.

圖3 磁感應(yīng)強度B的分解

一個分量與導(dǎo)線垂直

B1=Bsinθ

另一分量與導(dǎo)線平行

B2=Bcosθ

平行于導(dǎo)線的分量B2不對通電導(dǎo)線產(chǎn)生作用力，通電導(dǎo)線所受作用力僅由B1決定.

即

F安=B1IL

將

B1=Bsinθ

代入得

F安=BILsinθ

總結(jié)：當(dāng)B與I垂直時，θ為90°，F(xiàn)安=BIL.

當(dāng)B與I平行時，θ為0，F(xiàn)=0.這兩種情況是F安=BILsinθ的特殊情況.

任意情況下通電直導(dǎo)線在磁場受到的安培力表達式為

F安=BILsinθ

(充分理解從特殊到一般，從一般到特殊的科學(xué)探究思維)

通過DIS演示實驗與數(shù)字化探究安培力的分組實驗，我們看到測量的安培力值有正、有負(fù)，說明安培力的方向會發(fā)生變化，那么安培力的方向有什么特點呢？

3 實驗探究安培力的方向

回憶定義電場強度方向是正電荷所受力的方向，那么能否認(rèn)為磁感應(yīng)強度B的方向為通電導(dǎo)體所受的安培力方向呢？(類比知道物理量之間的不同點，區(qū)分易混淆內(nèi)容)

分組實驗探究安培力方向的特點.

信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)融合3：

基于移動設(shè)備的增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)的發(fā)展，可以直接在實驗裝置圖片上進行虛擬物理量的疊加，從而加深學(xué)生對實驗現(xiàn)象的內(nèi)涵理解，如圖4所示.

圖4 虛擬物理量的疊加

畫出實驗過程的側(cè)視圖，如圖5所示.

通過實驗知道當(dāng)磁場方向反向時安培力方向反向，同時安培力與磁場、電流方向相互垂直.

圖5 實驗過程側(cè)視圖

思考1：電流在磁場中受力，是磁場對電流的作用嗎？

答：電流的磁效應(yīng)，說明電流周圍存在磁場，而磁場與磁場的作用才是電流在磁場中受到安培力的根本.理解了這個問題，我們只要探究能產(chǎn)生磁場的物體，它們相互間就可能產(chǎn)生力的作用，只不過磁體與磁體之間的磁場力遵循同名相斥，異名相吸.而電流與磁場，電流與電流之間的安培力則遵循左手定則.

探究：同向電流與反向電流的受力特點.(看實驗視頻，視頻截圖如圖6所示)

圖6 平行通電直導(dǎo)線間的相互作用

信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)融合4：

部分物理實驗需要的條件比較高，比如同向、異向電流相互作用，導(dǎo)線需要通過大電流，水銀揮發(fā)有毒，實驗比較危險.

因此通過實驗視頻教學(xué)，解決了特殊實驗現(xiàn)象的展示問題，讓學(xué)生能直觀而安全地觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗理論，如圖7所示.

圖7 通-電導(dǎo)線在磁場中的受力分析

設(shè)計反思：

課本本節(jié)安排，是先討論安培力的方向，即左手定則.后利用矢量分解討論任意角度安培力大小的表達式.

但是現(xiàn)實學(xué)習(xí)過程中，用純理論的矢量分解對磁感應(yīng)強度進行分析，加大了學(xué)生理解的難度.一方面磁感應(yīng)強度B的理解就比較抽象，另一方面涉及到空間矢量分解也非常難，因此,如何展現(xiàn)安培力隨角度變化的關(guān)系，成為了本節(jié)課需要突破的一個難點.

所以在本課中，利用數(shù)字化實驗裝置，通過計算機的快速化采點，并用數(shù)據(jù)表格自動生成擬合圖像，就很直觀地展現(xiàn)了安培力隨角度正弦變化的關(guān)系.信息技術(shù)與物理課堂教學(xué)的融合，根本上還是要尊重課程本身的特點，物理是一門以實驗探究自然規(guī)律的學(xué)科，如果通過信息技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)+，大數(shù)據(jù)共享，增強現(xiàn)實技術(shù)等加快對實驗現(xiàn)象與數(shù)據(jù)的分析，才能讓物理教學(xué)如虎添翼.