范旭
遵義市第二中學(xué),貴州 遵義 563000
2018年教育部頒布了《普通高中物理課程標準 (2017 年版)》[1](以下簡稱 《新課標》),《新課標》明確提出:物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)課程,旨在落實黨的十八大提出的“立德樹人”根本任務(wù),進一步提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng),為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ),促進人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會的發(fā)展;物理實驗是觀察、操作和思維互為影響的活動過程,尤其創(chuàng)新性的實驗活動不僅是獲得知識、方法的手段,也是學(xué)生實驗探究能力的體現(xiàn),因而實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。
人教版高中物理選修3-1[2]第三章《磁場》的“磁感應(yīng)強度”一節(jié)課中,通過演示實驗探究通電導(dǎo)線所受的安培力的影響因素(圖1),以此來尋找描述磁場強弱的物理量——磁感應(yīng)強度。該實驗中,采用控制變量法定性分析通電導(dǎo)線受力F與導(dǎo)線長度L、導(dǎo)線中的電流I的關(guān)系。但由于蹄形磁鐵周圍磁感應(yīng)強度較弱,并且只有一條通電導(dǎo)線,實驗時通電導(dǎo)線的擺角不明顯,實驗效果不理想,不利于學(xué)生對磁感應(yīng)強度概念的構(gòu)建和理解。
圖1 在勻強磁場中探究影響通電導(dǎo)線受力的因素
基于以上分析,筆者對該實驗進行改進,利用現(xiàn)代傳感器測量技術(shù),將實驗由定性觀測改為定量研究,使實驗可控性、可視性和科學(xué)性都得到了很大的提高,有助于學(xué)生對磁感應(yīng)強度這一物理觀念的構(gòu)建和理解,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的物理思維,也提升學(xué)生定量分析問題的能力。
(1)實驗器材
鐵架臺(1 個)、自制線圈(1 個)、強磁鐵(1~2個)、電源(1 個)、開關(guān)(1 個)、滑動變阻器(1個)、電流傳感器(1 個)、靜力傳感器(1 個)、數(shù)據(jù)采集器(1 個)、電腦(1 臺)、數(shù)據(jù)傳輸線(3 條)、導(dǎo)線若干。
(2)實驗原理
利用控制變量法研究通電導(dǎo)線在磁場中受力的因素(圖2):
圖2 實驗原理示意圖
①利用靜力傳感器測出通電導(dǎo)線的受力F;②利用滑動變阻器控制導(dǎo)線中的電流I;③利用線圈匝數(shù)n控制導(dǎo)線長度L;④利用電腦處理數(shù)據(jù)。
教學(xué)片斷——探究影響通電導(dǎo)線受力的因素
【教師活動1】(提出問題)剛才我們定性分析了磁場對放入其中的導(dǎo)線有力的作用,請大家猜想這個力的大小與哪些因素有關(guān)呢?
【學(xué)生活動】(猜想與假設(shè))思考并回答,磁場、電流大小、導(dǎo)線長度……
設(shè)計意圖通過引導(dǎo),讓學(xué)生思考通電導(dǎo)線受力的影響因素,并讓學(xué)生大膽猜測和假設(shè),為后面科學(xué)探究通電導(dǎo)線受力的影響因素做準備。
【教師活動2】(理論推導(dǎo))回答得很好,磁場強度、電流大小、導(dǎo)線長度都可能影響通電導(dǎo)線的受力,那當我們遇到多因素(多變量)的問題,該怎么辦呢?
【學(xué)生活動】思考并回答,用控制變量法來研究。
【教師活動】非常不錯,物理學(xué)中對于多因素(多變量)的問題,常常采用控制變量法來研究。我們先控制磁場不變,研究導(dǎo)線長度L和導(dǎo)線中的電流大小I對通電導(dǎo)線受力F的影響。
設(shè)計意圖讓學(xué)生體會控制變量法在實驗探究中的重要作用。
【教師活動3】 (理論推導(dǎo))首先控制磁場和通電電流I不變,研究導(dǎo)線的受力F與導(dǎo)線長度L的關(guān)系。假設(shè)此時磁場對長度為L的通電導(dǎo)線作用力為F,如果相同情況下,長度變?yōu)?L呢?此時的力是多少?請思考回答。
【學(xué)生活動】思考交流并回答,力為2F。因為長度為2L時,我們可以等效成2段長度為L的導(dǎo)線串聯(lián),每段長度為L的導(dǎo)線受力為F,合力應(yīng)為2F。
【教師活動】對,長度L加倍,力F也加倍,說明 B、I一定時,F(xiàn)∝L。
【教師活動】同理,若控制磁場和導(dǎo)線長度L不變,研究通電導(dǎo)線受力F與通電電流I的關(guān)系。假設(shè)電流為I的通電導(dǎo)線受力為F,如果相同情況下,通電電流變?yōu)?I時,導(dǎo)線受力為多少?和上面的結(jié)論相同嗎?請思考回答。
【學(xué)生活動】思考交流并回答,通電導(dǎo)線受力也為2F??梢詫⑼妼?dǎo)線的電流2I等效成2條電流為I的相同導(dǎo)線并聯(lián),每條導(dǎo)線受力為F,兩條導(dǎo)線受力就是2F。
【教師活動】非常好,電流I加倍,力F也加倍,說明 B、L 一定時,F(xiàn)∝I。
設(shè)計意圖讓學(xué)生理論推導(dǎo)F與L、I的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理的能力,也為后面的實驗做準備。
課件如圖3所示。
圖3 課件展示
【教師活動4】(實驗探究)同學(xué)們,我們邏輯推理出,B一定時F∝I,F(xiàn)∝L。是不是這樣的呢?下面我們用實驗來驗證:
(1)介紹實驗儀器及原理、連接實驗電路,并調(diào)試好電腦采集數(shù)據(jù)(首次使用電腦要先安裝傳感器驅(qū)動程序)。
(2)初始調(diào)零:閉合開關(guān),觀察傳感器是否采集到數(shù)據(jù),然后斷開開關(guān)并調(diào)零讀數(shù)。
(3)利用控制變量法探究:
導(dǎo)線受力F和導(dǎo)線中的電流I、導(dǎo)線長度L(匝數(shù)n)的關(guān)系:
①電流I一定,探究F與L(n)的關(guān)系(表1、圖 4)。
圖4 F與L的關(guān)系圖(I一定)
表1 I=0.2 A,分析F與L的關(guān)系
②長度L(n)一定,探究F與I的關(guān)系(表2、圖 5)。
表2 L=150匝,分析F與I的關(guān)系
圖5 F與I的關(guān)系圖(L一定)
(4)歸納實驗,得出結(jié)論
k表征的是與F、I和L無關(guān)的量,這個量就是磁場的強弱(即磁感應(yīng)強度的大?。?。
本實驗的創(chuàng)新之處有以下幾點:(1)強磁鐵(釹鐵硼磁鐵)替代蹄形磁鐵;(2)多匝線圈替代直導(dǎo)線;(3)直接測量力F替代導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)反映F的大小;(4)增加DIS數(shù)字化探究儀器(力學(xué)傳感器、電流傳感器)和多媒體結(jié)合輔助完成實驗。
改進后的教學(xué)效果非常好:(1)實驗更具有可控性,可定量測出導(dǎo)線中的電流I、導(dǎo)線的受力F和長度 L(匝數(shù) n);(2)實驗更具有可視性,由電腦反映相關(guān)讀數(shù),并可投影到大屏幕上,讓更多學(xué)生參與到實驗中來;(3)實驗更具有示范性,可由教師演示實驗改為學(xué)生實驗,讓學(xué)生親自動手,體驗實驗的樂趣;(4)實驗更具有科學(xué)性,改教材上“分析了很多實驗事實后人們認識到”為定量研究直觀得出結(jié)論(物理邏輯更強);(5)實驗更具有創(chuàng)新性,讓傳統(tǒng)教學(xué)與當代技術(shù)相結(jié)合,讓實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理更便捷;(6)實驗更具有啟發(fā)性,物理源自生活,該實驗?zāi)芨玫丶ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,特別是DIS數(shù)字化工具的使用,為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)、生活打下基礎(chǔ)。