核心素養(yǎng)下探究安培力的教學(xué)設(shè)計(jì)

麥銳堅(jiān)

【摘要】《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)2017版）》明確提出物理教學(xué)要重視培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。筆者以探究安培力為例，在物理核心素養(yǎng)的視角下，從構(gòu)建物理觀念，滲透科學(xué)思維，體驗(yàn)科學(xué)探究，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四方面進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng);教學(xué)設(shè)計(jì);安培力

一、教材分析

本節(jié)課選自粵教版高中物理3-1第三章第三節(jié)。前兩節(jié)的教學(xué)內(nèi)容學(xué)生建立了磁體與電流之間通過磁場(chǎng)相互作用的觀念，后兩節(jié)內(nèi)容是安培力的應(yīng)用和研究洛倫茲力，可見探究安培力的教學(xué)內(nèi)容在教材中具有承上啟下的作用。

教材先通過教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察通電線框在磁場(chǎng)中發(fā)生偏移，總結(jié)左手定則。教材直接指出磁場(chǎng)和電流垂直時(shí)安培力最大，平行時(shí)安培力為零。接著通過實(shí)驗(yàn)定性探究安培力大小還受電流大小和導(dǎo)體棒長(zhǎng)度影響。最后通過比值定義法引出磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念。有了磁感應(yīng)強(qiáng)度物理概念的建立，學(xué)生就能夠較好掌握安培力的計(jì)算表達(dá)式。

可見本節(jié)課的教材內(nèi)容編排遵從學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，由淺入深。先安排安培力的方向教學(xué)，然后基于最簡(jiǎn)單的磁場(chǎng)和電流相互垂直的情況，通過定性研究影響安培力大小的因素，最后引出最抽象的物理概念“磁感應(yīng)強(qiáng)度”。

二、學(xué)情分析

學(xué)生在初中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)線有力的作用，這個(gè)力的方向由磁場(chǎng)方向和電流方向決定，只是不懂得他們?nèi)咧g的關(guān)系。高中學(xué)生重點(diǎn)要學(xué)會(huì)使用“左手定則”判斷安培力的方向。

影響安培力大小的因素較多，學(xué)生難以自行探究得出結(jié)論。簡(jiǎn)單起見，只研究勻強(qiáng)磁場(chǎng)和電流方向垂直的情況。在前面電場(chǎng)的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們抽象出“點(diǎn)電荷”，引進(jìn)電場(chǎng)去試探電場(chǎng)的強(qiáng)弱，使用比值定義法來描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱。在磁場(chǎng)的研究中，難度較大的是要學(xué)生抽象出“電流元”這概念。同樣的也是根據(jù)比值定義法引入磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念。當(dāng)學(xué)生掌握了磁感應(yīng)強(qiáng)度所描述的物理意義，學(xué)生就學(xué)會(huì)使用安培力的計(jì)算式F=BIL。之后還可以進(jìn)一步拓展，在磁場(chǎng)和電流不垂直的情況下計(jì)算安培力大小。

三、教學(xué)目標(biāo)

（一）物理觀念

通過抽象出“電流元”這一對(duì)象作為研究磁場(chǎng)的“偵察兵”，理解磁感應(yīng)強(qiáng)度這物理概念具備的物理意義。能通過左手定則來判斷不同視角下的通電導(dǎo)線的安培力方向，并會(huì)定量計(jì)算安培力的大小。

（二）科學(xué)思維

經(jīng)歷類比的科學(xué)方法， 在磁場(chǎng)中放入“電流元”與在電場(chǎng)中放入“試探電荷”進(jìn)行類比，學(xué)生更容易建立新的物理概念，形成科學(xué)思維習(xí)慣。通過左手定則的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，提升形象思維和空間想象能力。

（三）科學(xué)探究

通過實(shí)驗(yàn)探究決定安培力大小的因素，并交流、討論、分析得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義，提升科學(xué)探究能力。

（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

通過簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)的課前展示，將知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際上，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過探究安培力大小讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)的研究方法，領(lǐng)略自然科學(xué)的無窮魅力，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的探究能力和探究精神。

四、教學(xué)重、難點(diǎn)分析：左手定則的運(yùn)用、磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義及理解

五、教學(xué)準(zhǔn)備材料

多媒體課件、自制簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)、金屬棒、金屬導(dǎo)軌、磁鐵若干、線圈、電子天枰、學(xué)生電源、滑動(dòng)變阻器，鐵架臺(tái)，泡沫

六、教學(xué)過程

（一）引入課堂：展示簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生觀察回答，基本原理：磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，引出安培力的概念。

（二）探究安培力方向

1.老師演示實(shí)驗(yàn)：金屬導(dǎo)軌上放置金屬桿，導(dǎo)軌先后接入正負(fù)極，分別放入磁鐵的N極和S極向下，觀察金屬桿的運(yùn)動(dòng)方向。不改變磁場(chǎng)方向，改變電流方向，再次觀察金屬桿的運(yùn)動(dòng)方向。

2.得出結(jié)論：安培力的方向與兩個(gè)因素有關(guān)：（1）磁場(chǎng)方向;（2）電流方向。

3.學(xué)習(xí)使用左手定則判斷安培力方向：

（三）探究安培力的大小

猜想：安培力的大小跟什么因素有關(guān)？

引導(dǎo)學(xué)生回答，安培力的大小可能與電流的強(qiáng)弱有關(guān)系，與電流在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度有關(guān)系，還可能跟磁場(chǎng)的強(qiáng)弱有關(guān)系。因?yàn)橛绊懙囊蛩囟啵覀冃枰褂每刂谱兞糠ㄟM(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)裝備如圖所示：

將多塊規(guī)格相同的蹄形磁鐵并排粘合一起，利用鐵架臺(tái)將它懸掛起來。這樣可以為矩形線框的上邊提供勻強(qiáng)磁場(chǎng)，利用泡沫把矩形線框穩(wěn)定好后放置在電子天平上。將電源、電流表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)，以及線框構(gòu)成閉合回路。穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)裝備后，將電子天平示數(shù)歸零。閉合開關(guān)，電子稱示數(shù)將會(huì)隨著電流的增強(qiáng)而增大，通過受力分析可以知道線框所受的安培力等于電子稱的示數(shù)乘上g。

實(shí)驗(yàn)一：控制磁場(chǎng)強(qiáng)弱一定、電流長(zhǎng)度一定，探究安培力大小與電流的強(qiáng)弱關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)二：控制磁場(chǎng)和電流強(qiáng)弱一定，測(cè)量線框長(zhǎng)邊和短邊，分別讓長(zhǎng)邊和短邊在磁場(chǎng)的作用下，探究安培力大小與導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在磁場(chǎng)一定的情況下，安培力與電流大小成正比，也跟導(dǎo)線的長(zhǎng)度成正比。即安培力的大小與電流強(qiáng)弱和導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積成正比。

（四）磁感應(yīng)強(qiáng)度的理解

引導(dǎo)學(xué)生思考：下圖圖像中的斜率受哪個(gè)因素影響？

同一試探電荷，受到電場(chǎng)力越大反映出該位置的電場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)。試探電荷作為“偵察兵”完成了偵查電場(chǎng)強(qiáng)弱的任務(wù)，利用F與q的比值來描述電場(chǎng)的強(qiáng)弱情況。

磁場(chǎng)同樣具有強(qiáng)弱，我們也可以嘗試引入一個(gè)合格的“偵察兵”，它必須是足夠小的，能反映磁場(chǎng)中某個(gè)位置的性質(zhì)，也能夠感受到磁場(chǎng)對(duì)它有力的作用。引導(dǎo)學(xué)生抽象出“電流元”的概念。

若用同一個(gè)“電流元”（I與L的乘積保持不變），放在磁場(chǎng)中不同的位置，該“電流元”受到安培力一般不同，安培力越大可以認(rèn)為該位置的磁場(chǎng)就會(huì)越強(qiáng)。在磁場(chǎng)中同一位置放入不同的“電流元”，安培力也會(huì)不同。因此我們不能夠簡(jiǎn)單利用安培力大小來表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，我們應(yīng)該利用F/IL這比值來描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。

（五）安培力表達(dá)式 F=BIL 的適用條件

思考：如圖所示，安培力方向如何？

學(xué)生嘗試左手定則并不適用。

前人通過大量的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)出了電流與磁場(chǎng)平行時(shí)安培力為零，當(dāng)電流與磁場(chǎng)垂直時(shí)安培力是最大的，最大的安培力可以利用F=BIL計(jì)算。

（六）堂上訓(xùn)練

七、小結(jié)與反思

本節(jié)課先通過展示簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)，學(xué)生帶著疑問進(jìn)入課堂，構(gòu)建起安培力的物理觀念，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的熱情。

學(xué)生在初中已經(jīng)知道磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力方向有哪些影響因素，在探究安培力方向上不作太多時(shí)間投入，而是留有足夠時(shí)間讓學(xué)生針對(duì)平面和立體圖使用左手定則判斷安培力的方向，訓(xùn)練了學(xué)生的空間思維能力，讓學(xué)生體會(huì)到了要成為科學(xué)家應(yīng)該要具備總結(jié)歸納的科學(xué)素養(yǎng)。

為了學(xué)生能直觀認(rèn)識(shí)到安培力的影響因素，巧妙利用電子天平來定量反映安培力的大小。因?yàn)橛绊懓才嗔Φ囊蛩剌^多，本節(jié)課只在磁場(chǎng)和電流方向垂直的前提下展開研究，避開討論成夾角的情況。最后才通過磁場(chǎng)和電流平行時(shí)安培力等于零，來加以強(qiáng)調(diào)安培力F=BIL是磁場(chǎng)和電流方向垂直時(shí)候才適用。在研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，與電場(chǎng)展開類比，引入了“電流元”的物理觀念。這些設(shè)計(jì)的背后都滲透著創(chuàng)新思維、抽象思維、類比思維。

在例題的選取上，加深學(xué)生對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度物理意義的理解，從情感上讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到地磁場(chǎng)對(duì)電流產(chǎn)生的安培力非常小，一般情況下可以不做考慮。通過介紹“電磁炮”設(shè)計(jì)原理，讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)最終還是要回歸到自然和社會(huì)的應(yīng)用中。