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        淺談核心素養(yǎng)視角下科學(xué)探究能力的培養(yǎng)
        ——以“探究安培力的大小”教學(xué)為例

        2020-04-23 02:35:46顧夢婷呂華平
        物理通報(bào) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:安培力電子秤磁場

        顧夢婷 呂華平

        (江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116)

        “安培力的大小”是人教版選修3-1第三章第4節(jié)“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”這一節(jié)中的教學(xué)內(nèi)容,在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中,對這一節(jié)的要求是:通過實(shí)驗(yàn),了解通電導(dǎo)線在磁場中會受到力的作用,知道力的方向與哪些因素有關(guān).而在最新的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中,對這一節(jié)的要求是:通過實(shí)驗(yàn),認(rèn)識安培力,能判斷安培力的方向,會計(jì)算安培力的大小,了解安培力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.并指出可以利用電流天平等簡易裝置測量安培力.可見,“安培力的大小”這一內(nèi)容的重要性有所提升.并且對于“安培力的大小”這一內(nèi)容,在以往的教學(xué)中,大多數(shù)教師會基于課本內(nèi)容進(jìn)行理論分析,得出一般情況下安培力的計(jì)算公式.

        基于新課改的教學(xué)理念,人教版選修3-1對于“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容的編排有以下兩點(diǎn)不足.其一,教材指出在學(xué)習(xí)“磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小”時(shí),通過“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”這個(gè)實(shí)驗(yàn),已經(jīng)得到了“通電導(dǎo)線與磁場方向垂直時(shí),導(dǎo)線所受安培力大小為F=ILB”這一結(jié)論.但事實(shí)上該實(shí)驗(yàn)為定性實(shí)驗(yàn),是通過觀察位于磁場中的導(dǎo)線擺動(dòng)角度的大小來比較導(dǎo)線受力的大小,故而得出“安培力大小與電流強(qiáng)度、導(dǎo)線長度成正比”顯然不妥,有失嚴(yán)謹(jǐn)性;其二,教材直接給出了“當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線方向平行時(shí),導(dǎo)線受力為零”這一結(jié)論,并未給出任何探究過程或解釋.事實(shí)上,這是教師“傳授知識,強(qiáng)調(diào)結(jié)果”的越位現(xiàn)象,顯然不符合新課標(biāo)倡導(dǎo)的自主性學(xué)習(xí)、體驗(yàn)性學(xué)習(xí)與研究性學(xué)習(xí).

        物理新課標(biāo)指出物理核心素養(yǎng)包括:物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任、科學(xué)思維這4個(gè)方面.因此,為了契合新課標(biāo)的理念以及使學(xué)生更深刻地理解和掌握“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容,我們以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力為目標(biāo),設(shè)計(jì)了使用電子秤測量安培力,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果進(jìn)行理論分析的創(chuàng)新性教學(xué)方案.

        1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置

        1.1 實(shí)驗(yàn)原理

        安培力的大小一般都較小,要精確測量具有一定的難度,因此可以利用電子秤測量安培力,從而可以精確到10-2~10-3N.將線圈放置在電子秤上,使其上邊框?qū)Ь€處于勻強(qiáng)磁場區(qū)域內(nèi),打開電子秤,由于線圈對電子秤有壓力,電子秤上會顯示線圈的質(zhì)量,將示數(shù)調(diào)零.再在線圈中通入電流,此時(shí)通電線圈對電子秤的壓力大小即為線圈所受安培力的大小.且當(dāng)安培力的方向向下時(shí),電子秤上的示數(shù)為正值,如圖1所示;當(dāng)安培力的方向向上時(shí),電子秤上的示數(shù)為負(fù)值,如圖2所示.

        圖1 安培力方向向下時(shí),電子秤示數(shù)為正值

        圖2 安培力方向向上時(shí),電子秤示數(shù)為負(fù)值

        1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        根據(jù)以上思路,設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)原理圖,實(shí)物裝置圖如圖4所示.

        圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖

        圖4 實(shí)物裝置圖

        實(shí)驗(yàn)裝置包括:(1)安培力演示儀,由電子秤、大號槽型磁鐵、磁極固定架、線圈、刻度圓環(huán)組成.其中,電子秤精確度為0.1 g;大號槽型磁鐵利用磁鐵的兩極提供勻強(qiáng)磁場;磁極固定架由透明亞克力板材制作而成,在磁極固定架上方放置磁鐵,在磁極固定架內(nèi)部放置電子秤;多匝線圈如圖5所示,由0.3 mm的漆包線在長為6.5 cm、寬為3.5 cm的塑料矩形線圈骨架上繞制而成,分別為1個(gè)100匝線圈、2個(gè)200匝線圈、1個(gè)300匝線圈,可以通過改變線圈匝數(shù)來改變處于磁場中的導(dǎo)線長度,并沿線圈下邊框固定一紅色箭頭來標(biāo)示線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向;刻度圓環(huán)如圖6所示,以15°為單位,共360°,并用透明膠粘于電子秤的轉(zhuǎn)盤下方,這樣紅色箭頭在刻度圓環(huán)上所指的角度即電流方向與磁場方向之間的夾角;(2)電流表;(3)學(xué)生電源;(4)滑動(dòng)變阻器;(5)顯示屏,從電子秤上引出數(shù)據(jù)線到自制的顯示屏上,把電子秤上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示屏上,方便學(xué)生觀察電子秤上的數(shù)據(jù).

        圖5 線圈

        圖6 刻度圓環(huán)

        在實(shí)驗(yàn)中,可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來改變線圈中的電流,通過改變線圈的匝數(shù)來改變在磁場中的導(dǎo)線長度,通過改變上邊框?qū)Ь€與磁場的夾角來改變電流與磁場方向之間的夾角,從而達(dá)到改變安培力大小的目的.

        2 科學(xué)探究

        在課堂之初,教師首先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想,安培力的大小與什么因素有關(guān),學(xué)生根據(jù)第二節(jié)所學(xué)知識猜想安培力的大小與電流強(qiáng)度、導(dǎo)線長度等因素有關(guān).

        2.1 探究實(shí)驗(yàn)一:當(dāng)磁場B與電流I垂直時(shí) 安培力的大小與電流I和導(dǎo)線長度L的關(guān)系

        2.1.1 研究安培力與電流強(qiáng)度的關(guān)系

        教師向?qū)W生提出問題:如何改變電路中電流的大小?學(xué)生進(jìn)行思考后,各抒己見:通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器或通過改變電源電壓大小,并且經(jīng)過討論分析后發(fā)現(xiàn)采用調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器來調(diào)節(jié)電流大小更為方便.通過學(xué)生的思考交流,不僅活躍了課堂氛圍,而且培養(yǎng)了學(xué)生積極思考問題和合作交流的能力.

        教師向?qū)W生呈現(xiàn)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案:將一個(gè)100匝線圈置于電子秤轉(zhuǎn)盤中央且使線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向與磁場方向垂直(如圖7和圖8所示),并接入串聯(lián)電路之中,閉合開關(guān)后,在保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B與導(dǎo)線長度L均不變的情況下,改變電路中電流I的大小若干次,觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上的示數(shù).

        圖7 磁場方向與電流方向垂直示意圖

        圖8 磁場方向與電流方向垂直實(shí)物圖

        接著,師生合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn).值得注意的是,在連通電路之前需將電子秤上示數(shù)調(diào)零.在實(shí)驗(yàn)過程中,引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,及時(shí)記錄下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).并且引導(dǎo)學(xué)生思考討論安培力的大小與電子秤上示數(shù)之間的關(guān)系,最終得出結(jié)論.例如,當(dāng)測得的示數(shù)為0.9 g時(shí),意味著此時(shí)導(dǎo)線所受安培力的大小等于一個(gè)0.9 g的重物對電子秤的壓力大小,即安培力的大小為9×10-3N.

        對于記錄下來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示,教師請學(xué)生在坐標(biāo)紙上進(jìn)行描點(diǎn)、連線,并提出問題:安培力的大小與電流強(qiáng)度是什么關(guān)系?

        表1 安培力與電流關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        如圖9所示,學(xué)生通過分析圖像,得出結(jié)論:安培力的大小與電流強(qiáng)度I成正比.在這一過程中,提高了學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力和表達(dá)能力.

        圖9 安培力與電流關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

        2.1.2 研究安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系

        對于如何研究安培力與導(dǎo)線長度的關(guān)系這一問題,教師給學(xué)生一定的思考時(shí)間,并在進(jìn)行交流討論后,設(shè)計(jì)得出較為完善的實(shí)驗(yàn)方案:在電路中分別接入或串聯(lián)接入不同匝數(shù)的線圈,便可以改變位于磁場中的線圈上邊框?qū)Ь€的長度,保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流強(qiáng)度I為0.2 A不變,觀察并記錄顯示屏(電子秤)上的示數(shù).

        記錄數(shù)據(jù)后,如表2所示,教師給學(xué)生充足的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如圖10所示)、思考交流,最終得出結(jié)論:安培力的大小與導(dǎo)線長度L成正比.

        表2 安培力與導(dǎo)線長度關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        圖10 安培力與導(dǎo)線長度(匝數(shù))關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

        2.2 探究實(shí)驗(yàn)二:當(dāng)磁場B與電流I平行時(shí) 安培力的大小為零

        教師提出問題:當(dāng)磁場B與電流I平行時(shí),安培力的大小為多少?引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行猜想和假設(shè).教師轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤的轉(zhuǎn)盤,使線圈上邊框?qū)Ь€中的電流方向與磁場方向平行(如圖11和圖12所示),閉合開關(guān)后,觀察并記錄顯示屏(即電子秤)上示數(shù)為零.

        圖11 磁場方向與電流方向平行示意圖

        圖12 磁場方向與電流方向平行實(shí)物圖

        學(xué)生思考后得出結(jié)論:當(dāng)磁場B與電流I平行時(shí),安培力的大小為零.

        2.3 探究活動(dòng)三:當(dāng)磁場B與電流I成任意夾角θ時(shí) 安培力F∝sin θ

        遵循從特殊到一般的研究思路,教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題:當(dāng)磁場B與電流I成任意夾角θ時(shí),安培力的大小與夾角θ的關(guān)系是什么?如何通過實(shí)驗(yàn)探究安培力的大小與夾角θ的關(guān)系?

        教師啟發(fā)學(xué)生結(jié)合之前的探究經(jīng)驗(yàn),以小組為單位討論設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行進(jìn)一步探究.小組討論完畢后,請各小組派出代表介紹本組的實(shí)驗(yàn)方案.最后結(jié)合各組的方案,最終得出最佳方案:保持磁感應(yīng)強(qiáng)度B以及電流I為0.2 A不變,通過轉(zhuǎn)動(dòng)電子秤的轉(zhuǎn)盤來改變線圈中電流方向與磁場方向之間的夾角,每隔15°觀察并記錄一次數(shù)據(jù),直到360°為止.通過這一過程,不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力,而且提高了學(xué)生的合作意識和表達(dá)能力.

        記錄數(shù)據(jù)如表3所示,學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.經(jīng)過描點(diǎn)、連線后,學(xué)生在一片驚呼中發(fā)現(xiàn),該圖像就是正弦函數(shù)的圖像,如圖13所示.由此得出結(jié)論:安培力的大小與sinθ成正比.

        表3 安培力與夾角關(guān)系的研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

        綜合以上3組探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生在教師的引導(dǎo)下經(jīng)過討論分析得出,安培力的計(jì)算公式即為F=ILBsinθ.并且值得注意的是,在進(jìn)行3組探究實(shí)驗(yàn)的過程中,教師盡量給學(xué)生足夠的時(shí)間思考實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題,在學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)一步引發(fā)學(xué)生的反思和質(zhì)疑:實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差是由什么原因造成的?實(shí)驗(yàn)中有哪些地方值得改進(jìn)?目的在于強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生在具體情境中像“科學(xué)家”一樣主動(dòng)參與,積極地發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、解決問題.這樣,不僅獲取了知識,還發(fā)展了技能,培養(yǎng)了綜合能力,形成了初步的物理核心素養(yǎng).

        圖13 安培力與夾角關(guān)系的研究數(shù)據(jù)擬合圖

        3 理論分析

        在實(shí)驗(yàn)探究完成之后,教師應(yīng)趁熱打鐵從理論角度出發(fā),運(yùn)用“從特殊到一般”的科學(xué)方法帶領(lǐng)學(xué)生重新研究安培力的大小.

        教師向?qū)W生展示電流I與磁場B成θ角的示意圖,提出問題:如何對位于磁場中的導(dǎo)線進(jìn)行受力分析?給學(xué)生充足的時(shí)間進(jìn)行思考與交流討論.并引導(dǎo)學(xué)生類比力的正交分解,將同為矢量的磁感應(yīng)強(qiáng)度B進(jìn)行分解如圖14所示,分解為垂直于導(dǎo)線的分量B⊥和平行于導(dǎo)線的分量B‖.

        圖14 B與導(dǎo)線夾角為θ時(shí)B的分解示意圖

        結(jié)合剛才探究實(shí)驗(yàn)一和二的結(jié)論,學(xué)生在思考后發(fā)現(xiàn),當(dāng)導(dǎo)線處于B⊥這個(gè)磁場中時(shí),導(dǎo)線所受的安培力為F=ILB⊥,即ILBsinθ;當(dāng)導(dǎo)線處于B‖這個(gè)磁場中時(shí),導(dǎo)線所受的安培力為零.

        最后,根據(jù)合力是分力的等效替換,學(xué)生通過計(jì)算得出導(dǎo)線所受的合力F為ILBsinθ.這與實(shí)驗(yàn)探究的結(jié)果相一致.

        4 教學(xué)效果

        4.1 培養(yǎng)學(xué)生的問題意識

        愛因斯坦曾說過:提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要.教師要善于引導(dǎo)學(xué)生在觀察后有所發(fā)現(xiàn),萌發(fā)出有價(jià)值的物理問題.如當(dāng)連通電路后,學(xué)生觀察到電子秤上有示數(shù)時(shí),教師要善于引導(dǎo)學(xué)生思考電子秤上的示數(shù)與安培力大小之間的關(guān)系.教師還可以在創(chuàng)設(shè)一些任務(wù)后,如在探究完電流與磁場平行時(shí)安培力為多少以后,隨即讓學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維,提煉出接下來要探究的問題,即電流與磁場成任意夾角時(shí),安培力又為多少.通過鼓勵(lì)學(xué)生大膽提問、學(xué)會提問,可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性,也為進(jìn)一步開展科學(xué)探究奠定了基礎(chǔ).

        4.2 培養(yǎng)學(xué)生的探究能力

        教師要盡量將課堂交還給學(xué)生,以一個(gè)探究者的身份參與到活動(dòng)中去,在重要環(huán)節(jié)可以進(jìn)行適當(dāng)提示,培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力.例如,在探究安培力的大小時(shí),可以提出以下問題進(jìn)行引導(dǎo):安培力的大小與什么因素有關(guān)呢?如何通過實(shí)驗(yàn)測出這些因素對安培力的影響?怎樣改變電路中電流的大小呢?如何對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理呢?等等.但不要急于干涉學(xué)生的探究活動(dòng).教師可以在學(xué)生思考、交流時(shí)進(jìn)行觀察,去傾聽學(xué)生的問題和想法,教授學(xué)生一些科學(xué)思維和研究方法,例如:控制變量法、等效替代法等,真正做到“授漁”而非“授魚”.在教師適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)下,通過分步探究,步步深入,可以讓學(xué)生像科學(xué)家做研究一樣去經(jīng)歷探索和發(fā)現(xiàn)的過程,思維也經(jīng)歷了由淺入深、由表及里的深化過程.

        4.3 培養(yǎng)學(xué)生的小組合作精神

        在探究活動(dòng)中,學(xué)生往往會基于自己的知識與經(jīng)驗(yàn)來建構(gòu)對事物的理解.但是由于每個(gè)學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)、知識背景、思考問題的角度不同,因此對事物的理解和解決方式也會不盡相同,例如,對于“如何探究當(dāng)磁場B與電流I成θ角時(shí),安培力的大小與夾角θ的關(guān)系”這個(gè)問題,每個(gè)學(xué)生會對實(shí)驗(yàn)方案有不同的想法,有的學(xué)生認(rèn)為可以轉(zhuǎn)動(dòng)線圈來改變B與I之間的夾角,也有學(xué)生認(rèn)為可以轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵來改變夾角.此時(shí)教師如果引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組合作與交流,就可以使學(xué)生取長補(bǔ)短,制定出更為完善、更為有效方便的實(shí)驗(yàn)方案.這樣不僅提高了學(xué)生的交流表達(dá)能力,也可以培養(yǎng)學(xué)生的小組合作意識.

        4.4 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

        在學(xué)習(xí)“安培力的大小”這一節(jié)時(shí),在實(shí)驗(yàn)探究后,再從理論角度出發(fā),通過“由特殊到一般”的科學(xué)研究方法,將導(dǎo)線放置于特殊的磁場(與導(dǎo)線垂直或平行的磁場)中進(jìn)行受力分析.最后運(yùn)用合力是分力的等效替換這一結(jié)論,從而得出導(dǎo)線所受的合力,也即一般情況下安培力的計(jì)算公式.在這一過程中,引導(dǎo)學(xué)生使用探究實(shí)驗(yàn)一和二的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析,從而得出與實(shí)驗(yàn)探究相一致的結(jié)果.通過這一探究過程,讓學(xué)生在思維上碰撞出了智慧與創(chuàng)新的火花,這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力,還培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

        5 教學(xué)反思

        科學(xué)探究的7個(gè)步驟是:提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與搜集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作.為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的習(xí)慣,在日常教學(xué)活動(dòng)中,教師要善于挖掘和提高學(xué)生的科學(xué)探究能力.正如在“安培力的大小”這一教學(xué)內(nèi)容中,通過使用電子秤測量安培力,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果進(jìn)行理論分析的創(chuàng)新性教學(xué)方案,我們將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的任務(wù)完美地融入到教學(xué)之中,培養(yǎng)了學(xué)生的問題意識、探究能力、小組合作精神以及創(chuàng)新能力.此外,通過讓學(xué)生經(jīng)歷探究的過程,不僅培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維,還激發(fā)了學(xué)生對物理學(xué)科的興趣,從而產(chǎn)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”以及從“學(xué)會”到“會學(xué)”的轉(zhuǎn)變,使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到了提升.

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