核心素養下探究安培力的教學設計

麥銳堅

【摘要】《普通高中物理課程標準2017版）》明確提出物理教學要重視培養學生物理核心素養，落實立德樹人的根本任務。筆者以探究安培力為例，在物理核心素養的視角下，從構建物理觀念，滲透科學思維，體驗科學探究，培養科學態度與責任四方面進行教學設計。

【關鍵詞】核心素養;教學設計;安培力

一、教材分析

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

教材先通過教師演示實驗，學生觀察通電線框在磁場中發生偏移，總結左手定則。教材直接指出磁場和電流垂直時安培力最大，平行時安培力為零。接著通過實驗定性探究安培力大小還受電流大小和導體棒長度影響。最后通過比值定義法引出磁感應強度的概念。有了磁感應強度物理概念的建立，學生就能夠較好掌握安培力的計算表達式。

可見本節課的教材內容編排遵從學生的認知規律，由淺入深。先安排安培力的方向教學，然后基于最簡單的磁場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“磁感應強度”。

二、學情分析

學生在初中已經認識到磁場對通電直導線有力的作用，這個力的方向由磁場方向和電流方向決定，只是不懂得他們三者之間的關系。高中學生重點要學會使用“左手定則”判斷安培力的方向。

影響安培力大小的因素較多，學生難以自行探究得出結論。簡單起見，只研究勻強磁場和電流方向垂直的情況。在前面電場的學習中，同學們抽象出“點電荷”，引進電場去試探電場的強弱，使用比值定義法來描述電場的強弱。在磁場的研究中，難度較大的是要學生抽象出“電流元”這概念。同樣的也是根據比值定義法引入磁感應強度的概念。當學生掌握了磁感應強度所描述的物理意義，學生就學會使用安培力的計算式F=BIL。之后還可以進一步拓展，在磁場和電流不垂直的情況下計算安培力大小。

三、教學目標

（一）物理觀念

通過抽象出“電流元”這一對象作為研究磁場的“偵察兵”，理解磁感應強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線的安培力方向，并會定量計算安培力的大小。

（二）科學思維

經歷類比的科學方法， 在磁場中放入“電流元”與在電場中放入“試探電荷”進行類比，學生更容易建立新的物理概念，形成科學思維習慣。通過左手定則的學習和應用，提升形象思維和空間想象能力。

（三）科學探究

通過實驗探究決定安培力大小的因素，并交流、討論、分析得出磁感應強度的定義，提升科學探究能力。

（四）科學態度與責任

通過簡易電動機的課前展示，將知識應用到實際上，激發學生的學習興趣。通過探究安培力大小讓學生體會物理學的研究方法，領略自然科學的無窮魅力，同時培養了學生的探究能力和探究精神。

四、教學重、難點分析：左手定則的運用、磁感應強度的定義及理解

五、教學準備材料

多媒體課件、自制簡易電動機、金屬棒、金屬導軌、磁鐵若干、線圈、電子天枰、學生電源、滑動變阻器，鐵架臺，泡沫

六、教學過程

（一）引入課堂：展示簡易電動機

激發學生學習興趣，學生觀察回答，基本原理：磁場對電流有力的作用，引出安培力的概念。

（二）探究安培力方向

1.老師演示實驗：金屬導軌上放置金屬桿，導軌先后接入正負極，分別放入磁鐵的N極和S極向下，觀察金屬桿的運動方向。不改變磁場方向，改變電流方向，再次觀察金屬桿的運動方向。

2.得出結論：安培力的方向與兩個因素有關：（1）磁場方向;（2）電流方向。

3.學習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？

引導學生回答，安培力的大小可能與電流的強弱有關系，與電流在磁場中的長度有關系，還可能跟磁場的強弱有關系。因為影響的因素多，我們需要使用控制變量法進行研究。

實驗裝備如圖所示：

將多塊規格相同的蹄形磁鐵并排粘合一起，利用鐵架臺將它懸掛起來。這樣可以為矩形線框的上邊提供勻強磁場，利用泡沫把矩形線框穩定好后放置在電子天平上。將電源、電流表、滑動變阻器、開關，以及線框構成閉合回路。穩定實驗裝備后，將電子天平示數歸零。閉合開關，電子稱示數將會隨著電流的增強而增大，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乘上g。

實驗一：控制磁場強弱一定、電流長度一定，探究安培力大小與電流的強弱關系。

實驗二：控制磁場和電流強弱一定，測量線框長邊和短邊，分別讓長邊和短邊在磁場的作用下，探究安培力大小與導線長度的關系。

引導學生總結實驗結論：在磁場一定的情況下，安培力與電流大小成正比，也跟導線的長度成正比。即安培力的大小與電流強弱和導線長度的乘積成正比。

（四）磁感應強度的理解

引導學生思考：下圖圖像中的斜率受哪個因素影響？

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

磁場同樣具有強弱，我們也可以嘗試引入一個合格的“偵察兵”，它必須是足夠小的，能反映磁場中某個位置的性質，也能夠感受到磁場對它有力的作用。引導學生抽象出“電流元”的概念。

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

（五）安培力表達式 F=BIL 的適用條件

思考：如圖所示，安培力方向如何？

學生嘗試左手定則并不適用。

前人通過大量的實驗檢驗出了電流與磁場平行時安培力為零，當電流與磁場垂直時安培力是最大的，最大的安培力可以利用F=BIL計算。

（六）堂上訓練

七、小結與反思

本節課先通過展示簡易電動機，學生帶著疑問進入課堂，構建起安培力的物理觀念，進而激發學生科學探究的熱情。

學生在初中已經知道磁場對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間投入，而是留有足夠時間讓學生針對平面和立體圖使用左手定則判斷安培力的方向，訓練了學生的空間思維能力，讓學生體會到了要成為科學家應該要具備總結歸納的科學素養。

為了學生能直觀認識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。因為影響安培力的因素較多，本節課只在磁場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。最后才通過磁場和電流平行時安培力等于零，來加以強調安培力F=BIL是磁場和電流方向垂直時候才適用。在研究磁場強弱時，與電場展開類比，引入了“電流元”的物理觀念。這些設計的背后都滲透著創新思維、抽象思維、類比思維。

在例題的選取上，加深學生對磁感應強度物理意義的理解，從情感上讓學生認識到地磁場對電流產生的安培力非常小，一般情況下可以不做考慮。通過介紹“電磁炮”設計原理，讓學生明白學習科學知識最終還是要回歸到自然和社會的應用中。