王興鳳

(西華師范大學物理與天文學院 四川 南充 637002)

羅光華

(綿陽中學實驗學校 四川 綿陽 621050)

代偉

(西華師范大學物理與天文學院 四川 南充 637002)

物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理實驗是物理學發(fā)展的基石和源泉.探究物理規(guī)律，揭示物理現(xiàn)象往往離不開實驗.高中物理核心素養(yǎng)的內容之一就是以實驗為基礎進行科學探究.高中物理實驗主要分為“演示實驗”“學生分組實驗”和“課堂實驗”[1].演示實驗在中學物理教學中占比很大，演示實驗的特點是趣味性強，形式多樣，所演示的物理現(xiàn)象能給學生留下深刻的印象，同時還能加深學生對所學物理知識的理解.而探究實驗不僅能發(fā)展學生思維，更能鍛煉學生科學探究能力.由于自制教具能按照教師的教學意圖自行設計實驗裝置進行探究和演示，所以在中學物理實驗教學中自制教具大有用武之地[2].

1 演示實驗引觀察 實驗原理促思考

1.1 教學活動

安培力新課引入實驗中自制教具裝置如圖1所示.

圖1 小猴子蕩秋千

教師活動：演示時將線圈推離平衡位置后釋放，引導學生觀察現(xiàn)象(釋放的線圈在安培力和重力的作用下小猴子會來回不停地振蕩).

提問思考：小猴子為什么會來回振蕩不停？

師：小猴子來回振蕩不停，是因為受到了力的作用，那仔細觀察這個小教具，主要由什么組成？又是什么給了這個“小猴子”力的作用呢？

生：由支架，線圈，電池，磁鐵等組成.

教師：對，而且這個線圈還是通電的，也就是我們把通電的線圈放在磁場中，它就會受到力的作用.這是我們今天要學習的安培力.

1.2 自制教具器材與制作

圖1所示教具由3 V直流電源、網上購買的40 mm×20 mm×8 mm銣磁鐵，線圈(線圈用0.8 mm左右的漆包線繞制而成，大約10圈即可，漆包線可從網上或電機維修店購買)，塑料支架構成.

制作時將線圈繞成多匝，繞后的線圈一個端頭刮掉絕緣漆通過金屬掛鉤與電源負極連接，另一個端頭刮掉絕緣漆后掰開大約30°左右，通過安裝在支架上的用螺釘做成的觸碰開關與電源正極連接(支架由木質底座和塑料框架構成，將塑料框架用鐵釘釘在底座上).教具組裝如圖1所示.

2 模型建構學定則 自制教具猜因素

2.1 教學活動

師：今天我們要學習的是通電導線在磁場中受到的力——安培力，力是矢量，有大小有方向.那么通電導線在磁場中受到的安培力的方向和什么因素有關呢？

教具組裝如圖2(a)所示.

教學活動1:模型建構學定則

(1)打開電源開關，引導學生觀察導軌的運動方向.

(2)將磁鐵翻面，導軌通電方向不變，引導學生觀察導軌運動方向.

(3)將磁鐵恢復到步驟(1)，交換電源接線柱，引導學生觀察導軌運動方向.

教學效果：學生能夠觀察到(1)與(2)導軌的運動方向相反，(1)與(3)導軌的運動方向也相反.可初步總結出，電流的方向和磁場的方向都會影響安培力的方向.

為了幫助學生更好地探究三者之間的關系，設計了如圖2(b)所示的安培力方向判別自制教具，用它分別探究磁場方向、電流方向、安培力方向三者之間的關系.

(a)

(b)

借助自制教具通過分析最終總結得出判斷安培力方向的“左手定則”.通過安培力方向探究創(chuàng)新自制教具可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科學探究素養(yǎng).

教學活動2:自制教具猜因素

(1)利用教具圖2(a)控制電源電流由小到大，引導學生觀察導軌運動的快慢.

(2)先將銅條導軌放置在PVC支架的左右槽中，此時不銹鋼導軌置于磁場中的長度為150 mm；第二次移動其中一根銅條到支架中間槽中，此時不銹鋼導軌只有一半的長度置于磁場中，前后兩次保持導軌中電流大小不變.引導學生觀察前后兩次導軌運動的快慢.

(3)先用普通磁鐵進行實驗，然后在普通磁鐵上粘上幾塊強磁鐵，讓磁鐵磁性變強.保持其他因素不變，引導學生觀察導軌運動快慢.

(4)先后用規(guī)格相同的銅制導軌和鋁制導軌，保持電流大小、接入磁場導軌長度相同.引導學生觀察導軌運動快慢.

教學效果：(1)能觀察到導軌運動越來越快;(2)觀察到導軌運動第一次較快、第二次較慢；(3)能觀察到磁鐵磁性增大后導軌運動變快；(4)觀察到導軌運動快慢無明顯差別.

師：通電導線在磁場中會受到力的作用，那么,安培力的大小與什么因素有關呢？

生：與電流大小、通電導軌處于磁場中的有效長度、磁鐵磁性強弱有關.

設計意圖：安培力章節(jié)教學重點在探究安培力大小，而探究實驗中最重要的是提出合理的猜想和假設.通過自制教具引導學生觀察、總結出猜想效果遠比直接給出猜想，組織學生機械地探究效果好得多，這樣也更符合學生的認知邏輯，與學生的思維能力更匹配.

2.2 自制教具器材與制作

圖2(a)自制教具裝置由24 V可調電源，導線，150 mm×100 mm×20 mm磁鐵，直徑20 mm不銹鋼管，4 mm×10 mm×300 mm銅條導軌(網上購買)、320 mm×150 mm×15 mmPVC板支架等組成.

制作時在PVC支架中心位置開一個150 mm×100 mm的方孔，磁鐵安放在PVC板空中，另外在安放磁鐵的PVC板的兩邊分別安裝兩個150 mm×500 mm×15 mm的支架，在支架上的左中右3個位置上開3個4 mm×15 mm的槽用于安放銅條導軌.

圖2(b)自制教具用4塊120 mm×120 mm×5 mm的亞克力板相互垂直粘接而成.表示磁場方向的藍色箭頭用2 mm厚的亞克力板采用激光雕刻機加工而成，通過螺釘安裝在其中一塊板上，磁場方向可繞中心旋轉改變方向，同理黑色箭頭表示安培力方向.表示電流方向的箭頭放在兩塊板子的中心處，可以通過取上取下來改變電流的方向.

3 探究實驗證猜想 學生分組解疑惑

3.1 教學活動

要探究一個物理量與多個物理量的關系，根據(jù)之前的學習我們可以采取控制變量法分別探究安培力與這3個影響因素的關系，為此設計的自制教具原理如圖3所示，向學生介紹完定量探究安培力自制教具的設計方案和工作原理后，引導學生思考如何利用該自制教具通過控制變量法進行實驗探究，培養(yǎng)學生科學思維能力和科學探究能力.學生討論完實驗探究方案后，讓學生分組完成探究任務.

(a)

(b)

任務一：當電流大小I和磁感應強度B一定時，通過改變線圈抽頭接線，探究安培力大小F與導線長度L的關系.某些條件下不易直接測出物理量，物理學中通常會用便于直接測量的物理量來間接說明，這就是轉換法[3].將線圈有效匝數(shù)增加倍數(shù)等效于導線有效長度的對應倍數(shù).需要注意的是線圈匝數(shù)改變后要保證線圈中的電流始終不變.實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 I和B一定時探究F與L的關系

任務二：當導線長度L和磁感應強度B一定時，通過可調直流電源改變線圈中電流大小，探究安培力大小F與電流大小I的關系.實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

用圖像法處理兩次實驗的數(shù)據(jù)，如圖4和圖5所示.得到的圖像結果均為過原點的傾斜直線.說明安培力正比于導線電流大小,正比于導線有效長度，即

F=kIL

表2 L和B一定時探究F與I的關系

圖4 F-L關系圖

圖5 F-I關系圖

任務三：當導線長度和電流大小一定時，更換不同磁鐵，探究磁感應強度B和安培力大小的關系.磁感應強度的大小可以通過高斯計測量得到具體數(shù)據(jù)，實驗全定量探究安培力大小影響因素.實驗數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 L和I一定時探究F與B的關系

用圖像法處理第三次實驗的數(shù)據(jù)，得到帶有數(shù)據(jù)的坐標點，將坐標點用趨勢線擬合，如圖6所示，可見結果均為過原點的傾斜直線.說明安培力正比于導線電流大小，正比于導線有效長度，正比于磁感應強度即F=BIL.

圖6 F-B關系圖

3.2 自制教具器材與制作過程

圖3所示教具由24 V可調直流電源、導線、磁鐵、朗威力傳感器、底座、線圈組成.底座由白色免漆木工板加工而成，在儀器的底座上安裝一個型號為OB-3030Q，尺寸為30 mm×30 mm的鋁合金型材做的支架，用來懸掛線圈.帶有多個抽頭線圈的抽頭接線穿過鋁合金型材的孔槽后接在底板接線柱上，線圈骨架內框尺寸為180 mm×50 mm，寬度20 mm，線圈骨架用2 mm厚的椴木板加工而成.線圈用0.31 mm漆包線繞制而成，線圈抽頭分別為200，400，600，800匝，線圈的抽頭通過導線與底座上的接線柱連接.儀器底座上安裝一個從網上購買的外徑為15 cm的餐桌轉盤，轉盤上安裝一個直徑為300 mm，厚度為5 mm多層實木圓盤，圓盤上貼上從廣告店定制的圓形角度盤，圓形角度盤可在底座上轉動以改變線圈底部有效邊與磁鐵磁感線的角度.兩塊50 mm×100 mm×20 mm的磁鐵用椴木板做成的支架隔開安放在圓形刻度盤上，磁鐵之間的間距可以通過調整支架隔板位置進行調整.在兩塊磁鐵的中心位置把線圈懸掛在正上方的力傳感器上.線圈掛在力傳感器上要固定緊，不能左右轉動，同時線圈底部有效邊與磁感線垂直，安放磁鐵和線圈時要保證線圈所受的安培力方向豎直向下.

4 學以致用 制作個性小旗旋轉電機

教師通過遷移本節(jié)課所學安培力知識，課堂展示自制小旗旋轉電機，如圖7所示.

圖7 自制旋轉小旗

在圓形鐵塊底座上放一個φ20 mm×30 mm圓形磁鐵，磁鐵上方放置一節(jié)干電池，在干電池的正極上敲一個凹坑.用直徑大約1 mm銅線繞一個線圈，線圈直徑比磁鐵直徑稍大，線圈上端放在電池正級上，下端與磁鐵靠在一起使線圈形成閉合回路，線圈左右兩邊粘上紅綠顏色膠帶，當線圈放到電池上后電機就可旋轉.讓學生解釋小旗為什么會旋轉不停.課后讓學生動手制作具有自己個性的小旗，學以致用，培養(yǎng)學生動手能力，提高學生物理學習興趣，加深學生對所學知識的理解.

5 結束語

本節(jié)課的教學設計采取將演示實驗和學生分組實驗相結合的方式進行.新課引入利用演示自制教具給學生創(chuàng)造有趣、生動的教學情景，同時激發(fā)學生探究欲望.學生分組實驗中利于創(chuàng)新的自制教具讓學生經歷類似科學家的探索過程，不僅學習知識，加深對物理規(guī)律的認識和理解，更能鍛煉學生的科學探究能力，領悟科學精神，發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng).由于探究實驗往往需要較強的思維能力，所以在教學中教師要引導學生積極思考，使其逐步建立思維過程.利于創(chuàng)新自制教具，借助簡單、直觀、便捷的教學器材來開展物理教學,同時也能很好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神，提高其物理學科核心素養(yǎng).