信息技術在磁場對通電導線作用力研究中的應用

嚴涵

(南通大學附屬中學 江蘇 南通 226001)

當前基于“培養核心素養，提升關鍵能力”的新一輪教學改革正如火如荼的進行著.高中物理所教知識體系基本沒有變化，但是如何在不變中，結合當代學生學習特點，實踐出一條符合時代要求的高效物理課堂教學法，需要教師不斷地摸索與嘗試.在信息技術日新月異發展的過程中，如何結合新媒體技術與傳統物理課堂教學，讓兩者有機融合，筆者做了一定的嘗試.下面就以人教版選修3-1“磁場”一章中的“磁場對通電導線的作用力”課堂實錄為例,談談信息技術與物理課堂教學的融合思路.

本節知識需要學生知道什么是安培力.知道左手定則是判斷通電導線在磁場中所受安培力方向的基本方法.但由于左手定則的三維空間感要求高，學生不容易掌握，因此采用虛擬現實技術讓抽象變成“現實”，有利于學生快速地理解和掌握定則內容.而如何理解安培力大小與電流和磁場的空間關系又是一個難點，這涉及到空間矢量的合成與分解.課堂上采用數字傳感系統就可以直觀反映安培力大小的變化特點，化繁為簡.因此，本節課采用信息技術與課堂教學的融合，可以使學習過程事半功倍.也使學生通過學習認知由個別事物的個性來認識一般事物的共性，了解這是認識事物的一種重要的科學方法.并通過信息技術與物理教學的融合，直觀感受自然現象與物理知識之間的聯系.

1 引入 定義安培力

小實驗引入：(激發學習興趣)

將磁體、電池、線框如圖1組裝，觀察現象.調換磁體方向，觀察現象變化.

圖1 實驗組裝

現象：線框會旋轉.調換磁極，旋轉方向改變.

(1)磁鐵、電池、線框相互組合提供了哪些物理量因素？

(2)線框為什么會從靜止到旋轉？

(3)調換磁極方向，線圈旋轉方向改變說明什么？

答(1)：提供了磁場(B)、電流(I).

答(2)：力改變了線框的運動狀態.

答(3)：調換磁極方向，線圈受力方向反向.

由此可以看出當通電導線在磁場中，就有可能受到力的作用.物理學中我們將這種力定義為安培力.

信息技術與物理課堂教學融合1：

多媒體網絡視頻展示安培力的應用，從情感、價值觀上培養學生愛國主義情懷.

驅動小線框的安培力只是它的一種用途，安培力在工程技術和國防建設中有著巨大的作用.下面來看這幾段視頻：磁懸浮，電磁彈射，電磁炮等.可以看到小小的安培力不但可以驅動列車高速前進，還能成為保家衛國的國之重器，因此我們需要認真研究安培力.

2 理論分析 實驗探究安培力大小的一般表達式

復習遷移(知識回顧，引發思考):通電導線在磁場中是否就一定受安培力作用？

當B與I垂直時,F安=BIL；當B與I平行時,F安=0.

說明安培力的大小還跟B與I的方向有關.具體說就是B與I的夾角影響了安培力的大小.那么當B與I的夾角為θ時，直導線受到的安培力多大？

方法1：實驗驗證法

如圖2所示，采用朗威DIS數字傳感器：微力傳感器，安培力演示儀器.通過轉動磁場方向觀察安培力大小變化，通過設定安培力與角度函數圖像直觀感受F安=BILsinθ.

圖2 實驗驗證安培力大小變化

信息技術與物理課堂教學融合2：

利用數字化傳感器對安培力(F)隨磁場與電流方向角度(θ)變化的關系，進行數據采集.同時通過網絡把數據分享給每組同學，讓每組同學利用小組計算機進行數據分析.這樣既可以通過互聯網實現大數據分享，同時也讓學生掌握利用信息技術分析數據，進而得出規律結果的現代化探究能力.

方法2：矢量分解法

把磁感應強度B分解為兩個分量,如圖3所示.

圖3 磁感應強度B的分解

一個分量與導線垂直

B1=Bsinθ

另一分量與導線平行

B2=Bcosθ

平行于導線的分量B2不對通電導線產生作用力，通電導線所受作用力僅由B1決定.

即

F安=B1IL

將

B1=Bsinθ

代入得

F安=BILsinθ

總結：當B與I垂直時，θ為90°，F安=BIL.

當B與I平行時，θ為0，F=0.這兩種情況是F安=BILsinθ的特殊情況.

任意情況下通電直導線在磁場受到的安培力表達式為

F安=BILsinθ

(充分理解從特殊到一般，從一般到特殊的科學探究思維)

通過DIS演示實驗與數字化探究安培力的分組實驗，我們看到測量的安培力值有正、有負，說明安培力的方向會發生變化，那么安培力的方向有什么特點呢？

3 實驗探究安培力的方向

回憶定義電場強度方向是正電荷所受力的方向，那么能否認為磁感應強度B的方向為通電導體所受的安培力方向呢？(類比知道物理量之間的不同點，區分易混淆內容)

分組實驗探究安培力方向的特點.

信息技術與物理課堂教學融合3：

基于移動設備的增強現實技術(AR)的發展，可以直接在實驗裝置圖片上進行虛擬物理量的疊加，從而加深學生對實驗現象的內涵理解，如圖4所示.

圖4 虛擬物理量的疊加

畫出實驗過程的側視圖，如圖5所示.

通過實驗知道當磁場方向反向時安培力方向反向，同時安培力與磁場、電流方向相互垂直.

圖5 實驗過程側視圖

思考1：電流在磁場中受力，是磁場對電流的作用嗎？

答：電流的磁效應，說明電流周圍存在磁場，而磁場與磁場的作用才是電流在磁場中受到安培力的根本.理解了這個問題，我們只要探究能產生磁場的物體，它們相互間就可能產生力的作用，只不過磁體與磁體之間的磁場力遵循同名相斥，異名相吸.而電流與磁場，電流與電流之間的安培力則遵循左手定則.

探究：同向電流與反向電流的受力特點.(看實驗視頻，視頻截圖如圖6所示)

圖6 平行通電直導線間的相互作用

信息技術與物理課堂教學融合4：

部分物理實驗需要的條件比較高，比如同向、異向電流相互作用，導線需要通過大電流，水銀揮發有毒，實驗比較危險.

因此通過實驗視頻教學，解決了特殊實驗現象的展示問題，讓學生能直觀而安全地觀察實驗現象，分析實驗理論，如圖7所示.

圖7 通-電導線在磁場中的受力分析

設計反思：

課本本節安排，是先討論安培力的方向，即左手定則.后利用矢量分解討論任意角度安培力大小的表達式.

但是現實學習過程中，用純理論的矢量分解對磁感應強度進行分析，加大了學生理解的難度.一方面磁感應強度B的理解就比較抽象，另一方面涉及到空間矢量分解也非常難，因此,如何展現安培力隨角度變化的關系，成為了本節課需要突破的一個難點.

所以在本課中，利用數字化實驗裝置，通過計算機的快速化采點，并用數據表格自動生成擬合圖像，就很直觀地展現了安培力隨角度正弦變化的關系.信息技術與物理課堂教學的融合，根本上還是要尊重課程本身的特點，物理是一門以實驗探究自然規律的學科，如果通過信息技術，互聯網+，大數據共享，增強現實技術等加快對實驗現象與數據的分析，才能讓物理教學如虎添翼.