范旭

遵義市第二中學(xué)，貴州 遵義 563000

1 引言

2018年教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn) （2017 年版）》[1]（以下簡(jiǎn)稱 《新課標(biāo)》），《新課標(biāo)》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(shí)黨的十八大提出的“立德樹人”根本任務(wù)，進(jìn)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(jìn)人類科學(xué)事業(yè)的傳承與社會(huì)的發(fā)展；物理實(shí)驗(yàn)是觀察、操作和思維互為影響的活動(dòng)過程,尤其創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)不僅是獲得知識(shí)、方法的手段,也是學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的體現(xiàn),因而實(shí)驗(yàn)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(chǎng)》的“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)課中，通過演示實(shí)驗(yàn)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(chǎng)強(qiáng)弱的物理量——磁感應(yīng)強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(qiáng)度較弱，并且只有一條通電導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)時(shí)通電導(dǎo)線的擺角不明顯，實(shí)驗(yàn)效果不理想，不利于學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的構(gòu)建和理解。

圖1 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

基于以上分析，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，利用現(xiàn)代傳感器測(cè)量技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)由定性觀測(cè)改為定量研究，使實(shí)驗(yàn)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(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)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。

2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

（1）實(shí)驗(yàn)器材

鐵架臺(tái)（1 個(gè)）、自制線圈（1 個(gè)）、強(qiáng)磁鐵（1～2個(gè)）、電源（1 個(gè)）、開關(guān)（1 個(gè)）、滑動(dòng)變阻器（1個(gè)）、電流傳感器（1 個(gè)）、靜力傳感器（1 個(gè)）、數(shù)據(jù)采集器（1 個(gè)）、電腦（1 臺(tái)）、數(shù)據(jù)傳輸線（3 條）、導(dǎo)線若干。

（2）實(shí)驗(yàn)原理

利用控制變量法研究通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力的因素（圖2）：

圖2 實(shí)驗(yàn)原理示意圖

①利用靜力傳感器測(cè)出通電導(dǎo)線的受力F；②利用滑動(dòng)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(zhǎng)度L；④利用電腦處理數(shù)據(jù)。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)片斷——探究影響通電導(dǎo)線受力的因素

【教師活動(dòng)1】（提出問題）剛才我們定性分析了磁場(chǎng)對(duì)放入其中的導(dǎo)線有力的作用，請(qǐng)大家猜想這個(gè)力的大小與哪些因素有關(guān)呢？

【學(xué)生活動(dòng)】（猜想與假設(shè)）思考并回答，磁場(chǎng)、電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度……

設(shè)計(jì)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(cè)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(zhǔn)備。

【教師活動(dòng)2】（理論推導(dǎo)）回答得很好，磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度都可能影響通電導(dǎo)線的受力，那當(dāng)我們遇到多因素（多變量）的問題，該怎么辦呢？

【學(xué)生活動(dòng)】思考并回答，用控制變量法來研究。

【教師活動(dòng)】非常不錯(cuò)，物理學(xué)中對(duì)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(chǎng)不變，研究導(dǎo)線長(zhǎng)度L和導(dǎo)線中的電流大小I對(duì)通電導(dǎo)線受力F的影響。

設(shè)計(jì)意圖讓學(xué)生體會(huì)控制變量法在實(shí)驗(yàn)探究中的重要作用。

【教師活動(dòng)3】 （理論推導(dǎo)）首先控制磁場(chǎng)和通電電流I不變，研究導(dǎo)線的受力F與導(dǎo)線長(zhǎng)度L的關(guān)系。假設(shè)此時(shí)磁場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的通電導(dǎo)線作用力為F，如果相同情況下，長(zhǎng)度變?yōu)?L呢？此時(shí)的力是多少？請(qǐng)思考回答。

【學(xué)生活動(dòng)】思考交流并回答，力為2F。因?yàn)殚L(zhǎng)度為2L時(shí)，我們可以等效成2段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線串聯(lián)，每段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線受力為F，合力應(yīng)為2F。

【教師活動(dòng)】對(duì)，長(zhǎng)度L加倍，力F也加倍，說明 B、I一定時(shí)，F(xiàn)∝L。

【教師活動(dòng)】同理，若控制磁場(chǎng)和導(dǎo)線長(zhǎng)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(shí)，導(dǎo)線受力為多少？和上面的結(jié)論相同嗎？請(qǐng)思考回答。

【學(xué)生活動(dòng)】思考交流并回答，通電導(dǎo)線受力也為2F。可以將通電導(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(dòng)】非常好，電流I加倍，力F也加倍，說明 B、L 一定時(shí)，F(xiàn)∝I。

設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

課件如圖3所示。

圖3 課件展示

【教師活動(dòng)4】（實(shí)驗(yàn)探究）同學(xué)們，我們邏輯推理出，B一定時(shí)F∝I，F(xiàn)∝L。是不是這樣的呢？下面我們用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證：

（1）介紹實(shí)驗(yàn)儀器及原理、連接實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論

k表征的是與F、I和L無關(guān)的量，這個(gè)量就是磁場(chǎng)的強(qiáng)弱（即磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小）。

4 總結(jié)反思

本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn)：（1）強(qiáng)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(cè)量力F替代導(dǎo)線偏轉(zhuǎn)反映F的大??；（4）增加DIS數(shù)字化探究?jī)x器（力學(xué)傳感器、電流傳感器）和多媒體結(jié)合輔助完成實(shí)驗(yàn)。

改進(jìn)后的教學(xué)效果非常好：（1）實(shí)驗(yàn)更具有可控性，可定量測(cè)出導(dǎo)線中的電流I、導(dǎo)線的受力F和長(zhǎng)度 L（匝數(shù) n）；（2）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中來；（3）實(shí)驗(yàn)更具有示范性，可由教師演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親自動(dòng)手，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂趣；（4）實(shí)驗(yàn)更具有科學(xué)性，改教材上“分析了很多實(shí)驗(yàn)事實(shí)后人們認(rèn)識(shí)到”為定量研究直觀得出結(jié)論（物理邏輯更強(qiáng)）；（5）實(shí)驗(yàn)更具有創(chuàng)新性，讓傳統(tǒng)教學(xué)與當(dāng)代技術(shù)相結(jié)合，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)處理更便捷；（6）實(shí)驗(yàn)更具有啟發(fā)性，物理源自生活，該實(shí)驗(yàn)?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)。