“磁場(chǎng)”前四節(jié)教學(xué)順序調(diào)整及教學(xué)要點(diǎn)建議

王麗軍

（北京師范大學(xué)良鄉(xiāng)附屬中學(xué) 北京 1024 88 ）

1 教材介紹

人教版高中《物理·選修3－1》第三章“磁場(chǎng)”前四節(jié)的內(nèi)容是：磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)；磁感應(yīng)強(qiáng)度；幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)；通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力．教材編寫的內(nèi)容線索，如圖1．

圖1

這樣編寫的原因（選自選修3－1教師教學(xué)用書(shū)）：“以往教科書(shū)多把磁現(xiàn)象和幾種典型電流磁場(chǎng)的磁感線分布設(shè)為一節(jié)．在本書(shū)第三章磁場(chǎng)里把這些內(nèi)容分為兩節(jié)（第一節(jié)、第三節(jié)），而且還在這兩節(jié)之間安排一節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度．這是出于什么考慮呢？因?yàn)檫@部分內(nèi)容不僅信息量較多，而且蘊(yùn)含有豐富的三維目標(biāo)，特別是“情感、態(tài)度與價(jià)值觀”方面的教育素材．在課文中，我們用較大的篇幅介紹了電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷史．這是因?yàn)椋娏鞔判?yīng)的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)．它不是一個(gè)一般的科技進(jìn)步，而是一次科學(xué)革命．奧斯特的發(fā)現(xiàn)改變了人們的自然觀、世界觀和思維方式（從相互聯(lián)系中考察事物）．同時(shí)，這段科學(xué)史也是科學(xué)思維中傳統(tǒng)與創(chuàng)新交鋒和突破的生動(dòng)事例，它同時(shí)還展示了創(chuàng)新思維的重要和時(shí)代局限性對(duì)創(chuàng)新的羈絆．因此，是科學(xué)史上不可多得的優(yōu)秀素材，在課文中應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋硎觯?/p>

另外，這樣安排也是為了讓教科書(shū)編排上有一些張馳相間的節(jié)奏感．第一節(jié)、第三節(jié)的內(nèi)容都比較容易，定性的闡釋比較多，也不涉及復(fù)雜的定量計(jì)算．將其連貫安排也不是不可以，但顯得太松，而后面幾節(jié)都是傳統(tǒng)上的核心內(nèi)容，難度較大，連續(xù)安排又會(huì)顯得太急促．現(xiàn)在這樣安排，似乎更合理一些，而且從系統(tǒng)性上也說(shuō)得通，先介紹了磁場(chǎng)的一般現(xiàn)象，然后分別介紹描述磁場(chǎng)的兩種方式（磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感線），再繼續(xù)研究磁場(chǎng)對(duì)電流和運(yùn)動(dòng)電荷的作用力及其廣泛的應(yīng)用．應(yīng)該說(shuō)，邏輯線索還是比較清晰的．”

歸納起來(lái)教材這樣編排的原因：

（1）電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中應(yīng)予以應(yīng)有的重視．

（2）磁現(xiàn)象、磁場(chǎng)和幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)比較容易，另外兩節(jié)比較難，教材這樣編排有張馳相間的節(jié)奏感．

（3）理論上邏輯線索比較清晰．

2 教學(xué)順序的調(diào)整建議

2．1 教學(xué)順序調(diào)整

第一節(jié)至第四節(jié)的順序分別為，“一、磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)；二、幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)）；三、通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力；四、磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”．

將教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié)，第二節(jié)調(diào)到第四節(jié)，第四節(jié)調(diào)到第三節(jié)，并將原第一節(jié)地磁場(chǎng)的知識(shí)放到幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)中，將第三節(jié)磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度放在一節(jié)．

2．2 順序調(diào)整原因

（1）把教材上的第三節(jié)調(diào)整到第二節(jié)

雖然學(xué)生在初中已較深入地學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)的基本性質(zhì)及磁場(chǎng)的定性描述，但遺忘很嚴(yán)重．對(duì)于直導(dǎo)線和電流環(huán)磁場(chǎng)方向的判斷方法掌握得不牢固，對(duì)磁感線分布特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)也不夠精準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)于磁體內(nèi)部磁場(chǎng)的認(rèn)識(shí)也不夠．此外，學(xué)生的空間感知能力比較弱，想象不出磁場(chǎng)的空間分布，也不容易畫(huà)出平面圖．所以這部分內(nèi)容并不簡(jiǎn)單．

教材中勻強(qiáng)磁場(chǎng)的概念出現(xiàn)在第三節(jié)，但是在第二節(jié)“探究影響通電導(dǎo)線受力因素”的實(shí)驗(yàn)中卻出現(xiàn)了勻強(qiáng)磁場(chǎng)的詞，而且實(shí)際上也是用勻強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)做的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)內(nèi)容邏輯有些混亂．教學(xué)順序調(diào)整后“勻強(qiáng)磁場(chǎng)”的概念如何定義呢？仍然可以用教材中的說(shuō)法，“它是強(qiáng)弱、方向處處相同的磁場(chǎng)．距離很近的兩個(gè)平行的異名磁極之間的磁場(chǎng)，除邊緣部分外，可以認(rèn)為是勻強(qiáng)磁場(chǎng)．勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線是一些間隔相同的平行直線．”

教材中在第三節(jié)講“磁感線”，但在第一節(jié)卻出現(xiàn)了“地磁場(chǎng)”的磁感線．

這樣安排仍然是重視三維課程目標(biāo)的落實(shí)，前兩節(jié)內(nèi)容仍然安排兩課時(shí)．

（2）把引入“磁感應(yīng)強(qiáng)度”概念放在安培力之后

在初中學(xué)生對(duì)安培力已有接觸，在第一節(jié)也做了實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生僅僅知道磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有力的作用，不清楚安培力產(chǎn)生的條件和大小特點(diǎn)，在引入磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“導(dǎo)線應(yīng)與磁場(chǎng)垂直放置”就沒(méi)有根據(jù)，只能硬給學(xué)生，或者說(shuō)下節(jié)課再繼續(xù)研究．

按照原來(lái)的教材順序講，在“磁感應(yīng)強(qiáng)度”一節(jié)中要做探究實(shí)驗(yàn)：影響電流在磁場(chǎng)中受力的相關(guān)因素有哪些？在“安培力”一節(jié)也要做類似的實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)明確了安培力與電流、磁場(chǎng)夾角的關(guān)系．部分教學(xué)內(nèi)容是重復(fù)的．

從知識(shí)學(xué)習(xí)的角度看，對(duì)安培力的大小和方向的認(rèn)識(shí)不僅是引入磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的基礎(chǔ)，也是聯(lián)系力學(xué)問(wèn)題與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的紐帶，有著承上啟下的作用，用磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量描述磁場(chǎng)是本章重點(diǎn)．這兩部分順序調(diào)整從知識(shí)的邏輯關(guān)系上更合理．調(diào)整后的內(nèi)容線索如圖2．

圖2

3 調(diào)整后各節(jié)的教學(xué)要點(diǎn)

第一節(jié) 磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)

由于學(xué)生在初中已較深入地學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)的基本性質(zhì)及磁場(chǎng)的定性描述，所以，本部分內(nèi)容建議采用復(fù)習(xí)加閱讀的方式進(jìn)行．

可在教材內(nèi)容基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些與奧斯特實(shí)驗(yàn)有關(guān)的歷史背景材料，幫助學(xué)生更好地理解該實(shí)驗(yàn)的重大意義，體現(xiàn)學(xué)史教育的人文功能．

第二節(jié) 幾種常見(jiàn)的磁場(chǎng)

在做好實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，闡明磁感線的繪制方法，歸納特點(diǎn)．

在本章的學(xué)習(xí)中，營(yíng)造學(xué)生的空間感是十分重要的．利用三維動(dòng)畫(huà)使學(xué)生建立磁感線的立體圖景．

熟練掌握安培定則，繪制電流磁場(chǎng)的三視圖（側(cè)視圖、俯視圖、剖面圖）．

定義勻強(qiáng)磁場(chǎng)：磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向都不變的那部分磁場(chǎng)區(qū)域稱為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，用磁感線表示，就是“磁感線平行且間距相等的磁場(chǎng)區(qū)域是勻強(qiáng)磁場(chǎng)”．由于所有磁場(chǎng)的磁感線都是閉合曲線，因此，真正的勻強(qiáng)磁場(chǎng)是不存在的，它只在一定的范圍內(nèi)可以近似看作勻強(qiáng)磁場(chǎng)．可以看作勻強(qiáng)磁場(chǎng)的區(qū)域包括兩個(gè)異名磁極間的區(qū)域、通電螺線管的內(nèi)部區(qū)域、兩個(gè)平行放置的電流同向線圈之間的區(qū)域．說(shuō)明：蹄形磁鐵兩股之間的區(qū)域不是勻強(qiáng)磁場(chǎng)，但其靠近磁極的前區(qū)域常常可以近似作為勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)待．

知道分子電流假說(shuō)的內(nèi)容，但更重要的是使學(xué)生認(rèn)識(shí)到它的思想價(jià)值，感受物理學(xué)理論的和諧與統(tǒng)一．

第三節(jié) 通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力

做好以下有關(guān)實(shí)驗(yàn)：

演示實(shí)驗(yàn)1：通電的方形線圈在磁場(chǎng)中受力

實(shí)驗(yàn)儀器：蹄形磁鐵，懸掛在鐵架臺(tái)上的矩形線圈，導(dǎo)線，電源，開(kāi)關(guān)，滑動(dòng)變阻器．

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生認(rèn)識(shí)安培力，說(shuō)明安培力的方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)．

結(jié)論：通電線圈在磁場(chǎng)中受力，使線圈偏離豎直位置．線圈加速的方向是合外力的方向，不一定是安培力方向．如何準(zhǔn)確確定安培力的方向呢？還需要再研究安培力方向的特點(diǎn)．

演示實(shí)驗(yàn)2：通電銅棒在磁場(chǎng)中受力

實(shí)驗(yàn)儀器：強(qiáng)磁場(chǎng)，導(dǎo)體棒，由電容器放電提供電流．（如圖3所用儀器為原大峪中學(xué)教師自制）

圖3

（1）銅棒與磁場(chǎng)方向垂直放置，閉合開(kāi)關(guān)，銅棒豎起向上跳起，俯視圖如圖4所示．

圖4

圖5

說(shuō)明：安培力的方向豎直向上，并且和電流方向垂直，也和磁場(chǎng)方向垂直．

（2）銅棒與磁場(chǎng)方向不垂直放置（也不平行），閉合開(kāi)關(guān)，銅棒仍然豎直向上跳起，俯視圖如圖5所示．

說(shuō)明：安培力的方向仍然是豎直向上的．

結(jié)論：安培力和電流方向垂直，也和磁場(chǎng)方向垂直，即安培力垂直于電流和磁場(chǎng)決定的平面．

根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以得出演示實(shí)驗(yàn)1中安培力的準(zhǔn)確方向，并提出可以用左手記憶三者之間的關(guān)系．

演示實(shí)驗(yàn)3：研究通電導(dǎo)線受到的安培力的大小與電流和磁場(chǎng)之間夾角的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)儀器及注意事項(xiàng)（如圖6所用儀器為原大峪中學(xué)教師自制）：將矩形線框懸掛在電子稱上，為排除線框重力的影響，可以先對(duì)電子稱調(diào)零．將線框與電源、滑動(dòng)變阻器連接構(gòu)成回路，將線框的下邊放在強(qiáng)磁場(chǎng)中，強(qiáng)磁場(chǎng)安放在一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，可以調(diào)整電流和磁場(chǎng)方向的夾角．

圖6

調(diào)節(jié)電流到2．5A左右，電流、線圈長(zhǎng)度不變，依次改變電流和磁場(chǎng)之間的夾角分別為90 °，60 °，45 °，30 °和0°，學(xué)生觀察安培力的變化并記錄角度及與之對(duì)應(yīng)的安培力的大小．

結(jié)論：1）當(dāng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)體棒中電流方向垂直時(shí)受到的安培力最大，電流方向與磁感線之間的夾角減小時(shí)，安培力隨之減小．

2）當(dāng)電流方向與磁感線方向平行時(shí)，安培力的大小為零．

演示實(shí)驗(yàn)4：研究通電導(dǎo)線受到的安培力的大小與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6，調(diào)整電流和磁場(chǎng)之間的夾角為90 °，逐漸增大導(dǎo)線中的電流大小，測(cè)量安培力的大小．同理，改變線圈的大小，測(cè)量安培力的大小．

結(jié)論：安培力的大小與電流大小、導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比．

電流、磁場(chǎng)、安培力三者方向的空間關(guān)系對(duì)學(xué)生來(lái)講是個(gè)難點(diǎn)，可以用簡(jiǎn)單的教具展示這個(gè)空間關(guān)系．在分析時(shí)將立體圖畫(huà)成平面圖，即畫(huà)成俯視圖、剖面圖或側(cè)視圖等，使較為抽象的物理問(wèn)題簡(jiǎn)單化．

第四節(jié) 磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量

通過(guò)上一節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，F(xiàn)∝I L，即是恒量；磁場(chǎng)改變時(shí)，比值也改變反映了通電導(dǎo)線所在處磁場(chǎng)的強(qiáng)弱．對(duì)于非勻強(qiáng)磁場(chǎng)，建立電流元I L的理想化模型，分析其受力特點(diǎn)，定義磁感應(yīng)強(qiáng)度．

歸納、類比、深化對(duì)“引入探測(cè)物”和比值法定義物理量的認(rèn)識(shí)．

由磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義推導(dǎo)安培力公式，并結(jié)合矢量分解的思想拓展到B與I不垂直的情況．

了解自然界磁場(chǎng)與人工磁場(chǎng)，體會(huì)“1特斯拉”究竟有多大．

初步了解電動(dòng)機(jī)和磁電式電表的工作原理．

建立正確的磁通量概念，明確與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，會(huì)簡(jiǎn)單計(jì)算在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中磁通量的大小．