類(lèi)比遷移建概念 相互關(guān)聯(lián)成觀念
——以“磁感應(yīng)強(qiáng)度”教學(xué)為例

田成良 李凱波

(1.北京市海淀區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100080; 2. 北京教育學(xué)院豐臺(tái)分院，北京 100073)

磁感應(yīng)強(qiáng)度是電磁學(xué)的基本概念之一,如何描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向是本章教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)．磁場(chǎng),具有抽象性,較難理解．學(xué)生的困難主要集中在兩個(gè)方面:一是概念的抽象性,學(xué)生對(duì)“磁場(chǎng)”這種物質(zhì)形態(tài),覺(jué)得看不見(jiàn)、摸不著,缺乏相應(yīng)的直接經(jīng)驗(yàn)與感受;二是知識(shí)的綜合性,由于磁場(chǎng)對(duì)電流的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)對(duì)電荷的作用復(fù)雜,因而與磁感應(yīng)強(qiáng)度概念相關(guān)聯(lián)的知識(shí)也就更多．所有這些,都對(duì)學(xué)習(xí)者的抽象思維能力和邏輯推理能力提出了更高的要求．

基于以上分析,建立磁感應(yīng)強(qiáng)度概念時(shí),不能急功近利,也不能好高騖遠(yuǎn),應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生,從具體的事物,具體的認(rèn)識(shí)開(kāi)始,引導(dǎo)學(xué)生在探究中將舊的認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾抡J(rèn)識(shí)．學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電場(chǎng)的概念,也在初中認(rèn)識(shí)了磁場(chǎng)的一些性質(zhì),因此要結(jié)合學(xué)生原有的認(rèn)識(shí)水平,引導(dǎo)學(xué)生在探究中將舊認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾抡J(rèn)識(shí),不僅能實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階,還能培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念．通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí),幫助學(xué)生形成“物質(zhì)(場(chǎng))觀念”和“相互作用觀念”,并重新認(rèn)識(shí)定義場(chǎng)強(qiáng)度的思想方法．

1 創(chuàng)設(shè)情境,引入問(wèn)題

首先,提出問(wèn)題“磁場(chǎng)有強(qiáng)弱”．演示:把小鐵絲放在磁鐵的近處、遠(yuǎn)處,鐵絲受到磁鐵的作用力有大?。e例:大的電磁鐵能吸起成噸的鋼鐵,小磁體只能吸起小鐵釘;將兩個(gè)條形磁鐵吸在一起,用手可以很容易拉開(kāi);把兩個(gè)強(qiáng)磁鐵吸在一起,請(qǐng)力氣很大的男生都很難徒手拉開(kāi)．可以看出不同的磁鐵,磁場(chǎng)強(qiáng)弱并不相同,同一磁鐵不同位置磁場(chǎng)強(qiáng)弱也不同,怎樣定量描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向呢?

2 摸清起點(diǎn),類(lèi)比遷移

由于磁場(chǎng)看不見(jiàn),摸不著,不容易定量研究其大小和方向,能否借鑒學(xué)習(xí)電場(chǎng)的思路,研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱呢?學(xué)生回顧:引入檢驗(yàn)電荷q,觀察受力情況,同一電荷放在電場(chǎng)中的不同位置受力不同,說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)弱不同;在同一位置放不同電荷,觀察不同電荷受力也不同,但是F/q為常數(shù)．因此,F/q這一比值能反映電場(chǎng)本身的強(qiáng)弱,與q無(wú)關(guān)．根據(jù)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),學(xué)生可以想到在磁場(chǎng)的不同位置放入小磁針,通過(guò)研究小磁針的受力情況,即為描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量．這時(shí)教師可以指出,小磁針靜止時(shí),兩個(gè)磁極所受合力為0,小磁針不會(huì)單獨(dú)存在一個(gè)磁極,因此無(wú)法從小磁針受力的角度研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,不像電荷那樣,能夠量化檢驗(yàn)電荷的電荷量q．除了小磁針,磁場(chǎng)還對(duì)哪些物體有力的作用呢?而且要求方便測(cè)量,學(xué)生自然想到,磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線也有力的作用,而且電流的大小容易控制和測(cè)量．

評(píng)析： 學(xué)生在初中已初步了解通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力的相關(guān)知識(shí),借助與電場(chǎng)知識(shí)的類(lèi)比,進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生探尋磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間的關(guān)聯(lián),深化對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)和理解,促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系,同時(shí)輔以啟發(fā)式教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用類(lèi)比法研究問(wèn)題,并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念．

3 分層突破 優(yōu)化方案

結(jié)合初中物理學(xué)過(guò)的“通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力”的知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生思考,能否用通電導(dǎo)線研究磁場(chǎng)的強(qiáng)弱呢?進(jìn)而提出探究主題“影響通電導(dǎo)線受力的因素”．取一根導(dǎo)線為研究對(duì)象(具有可改變長(zhǎng)度的接線柱),并提供:電源、滑動(dòng)變阻器、電流表、電子秤、導(dǎo)線若干、蹄形磁鐵(6個(gè))等器材．為使學(xué)生能掌握實(shí)驗(yàn)原理,突破自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn),設(shè)置問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo): (1) 如何改變電流大小; (2) 怎樣改變導(dǎo)線長(zhǎng)度; (3) 怎么測(cè)量導(dǎo)線受力大?。龑?dǎo)學(xué)生用控制變量的思路,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

學(xué)生自主交流,分組討論,達(dá)成共識(shí),明確實(shí)驗(yàn)方案:以通電導(dǎo)線為研究對(duì)象,連接不同長(zhǎng)度導(dǎo)線的接線柱(如圖1所示),即可改變導(dǎo)線的長(zhǎng)度,將相同的馬蹄形磁鐵并排放置,N、S極之間形成磁場(chǎng)．利用電源、滑動(dòng)變阻器、電流表等構(gòu)成這樣一個(gè)電路,通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電路中電流大?。娭?利用左手定則分析導(dǎo)線受力方向(豎直向下),用電子秤(精度0.01g)測(cè)量通電導(dǎo)線受力的大小(注調(diào)零后電子稱(chēng)顯示的是克數(shù),用克力表示)．

圖1

3.1 實(shí)驗(yàn)操作 凸顯方法

探究導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受力大小,其影響因素可能與電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)弱等多個(gè)因素有關(guān),所以必須按照控制變量的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．并保持通電導(dǎo)線的位置不變(放置在磁鐵下方2cm處),測(cè)量力并將數(shù)據(jù)記錄在表1，表2中．

(1) 保持I同,L不同,比較同一位置導(dǎo)線受力大?。?/p>

表1 L= 16 cm

(2) 保持L同,I不同,比較同一位置導(dǎo)線受力大?。?/p>

表2 I= 2 A

3.2 問(wèn)題引領(lǐng) 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),讓學(xué)生分組討論,并設(shè)置問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生分析歸納結(jié)論．

問(wèn)題1:分別觀察表1和表2,你有什么結(jié)論?

類(lèi)比電場(chǎng)強(qiáng)度,能否用它們的比值描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱?其中,表1中長(zhǎng)度都是16cm,力還受導(dǎo)線長(zhǎng)度的影響,當(dāng)長(zhǎng)度改變時(shí),F/I將不是定值,不能用來(lái)描述同一位置的磁場(chǎng)強(qiáng)弱．同樣,表2中電流都是2A,不能用來(lái)描述同一位置的磁場(chǎng)強(qiáng)弱,還與電流大小有關(guān),也不能用F/L描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱．

問(wèn)題2:能否把I和L綁在一起,看做一個(gè)量,進(jìn)行分析,你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律?

在學(xué)生思考的基礎(chǔ)上,用Excel擬合,通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出(見(jiàn)表3):在同一(勻強(qiáng)) 磁場(chǎng)中F/IL是個(gè)定值．該比值反映了規(guī)律性,能夠反映磁場(chǎng)本身的性質(zhì),實(shí)驗(yàn)圖像如圖3所示．

表3

問(wèn)題3:在同一磁場(chǎng)中不同位置,這個(gè)比值相同嗎?

將通電導(dǎo)線遠(yuǎn)離磁鐵,放置在磁鐵下方5cm處,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)．分析圖4可知,離磁鐵越遠(yuǎn)磁場(chǎng)弱．充分說(shuō)明了這個(gè)比值能夠反映磁場(chǎng)強(qiáng)弱,比值大磁場(chǎng)強(qiáng),比值小磁場(chǎng)弱．

圖3

圖4

問(wèn)題4:在不同的(勻強(qiáng))磁場(chǎng)中,仍能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎?為什么?

重復(fù)試驗(yàn),并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn):在不同(勻強(qiáng))磁場(chǎng)中,F/IL為另一個(gè)確定的比值．該比值仍具有客觀性,仍能描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．

3.3 圖文分析 建立概念

問(wèn)題5:在一般的(非勻強(qiáng))磁場(chǎng)中,還能用F/IL描述它的性質(zhì)嗎?為什么?

啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用“無(wú)限分割、以勻代變”的極限思想進(jìn)行分析推理．也可以描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．因此,我們把IL稱(chēng)為電流元,比值F/IL起名叫做磁感應(yīng)強(qiáng)度,用“B”表示．由此,并進(jìn)一步介紹比值定義法含義,引導(dǎo)學(xué)生回顧以前學(xué)過(guò)的加速度、功率、電容等概念建立的思路,從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到值定義法建立概念的重要性．

評(píng)析：讓學(xué)生理解“為什么用比值(F/IL)定義磁感應(yīng)強(qiáng)度,是本節(jié)課的關(guān)鍵所在．教師在教學(xué)中要適時(shí)地提出問(wèn)題,為學(xué)生設(shè)置必要的認(rèn)知臺(tái)階,讓他們?nèi)ソ?jīng)歷并完成新概念的建構(gòu)過(guò)程．

3.4 變式操作 拓展應(yīng)用

上述測(cè)得的F-IL圖線的斜率即為磁感應(yīng)強(qiáng)度．在磁鐵下方2cm,B約為11.5mT,下方5cm,約為4.5mT,地磁場(chǎng)約為0.05mT,1T是非常強(qiáng)的磁場(chǎng)．為進(jìn)一步了解磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在教學(xué)手段方面,除了發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)手段的作用外,還應(yīng)充分利用現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)．例如,通過(guò)數(shù)字傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析處理數(shù)據(jù)等(圖5).這樣不僅可以豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果,為學(xué)生建構(gòu)和理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念打下了良好基礎(chǔ),并且還節(jié)省了時(shí)間,提高了教學(xué)效率．

圖5

評(píng)析： 通過(guò)討論猜想、實(shí)驗(yàn)探究、分析歸納等步驟,體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程,增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力,培養(yǎng)自主探究的能力,體現(xiàn)學(xué)生主體性,讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)由學(xué)會(huì)到會(huì)學(xué)的轉(zhuǎn)變．在教師與學(xué)生相互合作、共同探討的過(guò)程中,觀察現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論,給出定義,完成本節(jié)課的學(xué)習(xí)．

4 梳理總結(jié) 關(guān)聯(lián)提升

磁感應(yīng)強(qiáng)度概念是電磁學(xué)知識(shí)網(wǎng)上一個(gè)重要的節(jié)點(diǎn),對(duì)于相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)有著不可或缺的作用．其研究思想方法與電場(chǎng)一脈相承,一些重要的物理方法,例如物理量的“比值定義”、 多因素“變量控制”、 以勻代變的“極限思想”等,在本節(jié)課中都將再次涉及．所以,新課結(jié)束后,需要及時(shí)回顧概念建立的思路,以及所用到的思想方法,感悟電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度類(lèi)比遷移的銜接巧妙,深刻理解比值定義法建立概念的策略和涵義,具體分析流程如圖6所示．

圖6

梳理總結(jié),不僅能讓學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí),深刻理解其內(nèi)涵．還能通過(guò)對(duì)建立電場(chǎng)強(qiáng)度概念(也可增加重力場(chǎng)強(qiáng)度)的分析,學(xué)會(huì)間接地描述磁感應(yīng)強(qiáng)度的根本方法．希望通過(guò)學(xué)習(xí)磁感應(yīng)強(qiáng)度這一概念的過(guò)程,幫助學(xué)生對(duì)“場(chǎng)”這類(lèi)特殊物質(zhì)建立系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),形成物理觀念,發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．