探究實驗在高中物理教學中的應用
——以“通電導線在磁場中受到的力”為例

廣東珠海市實驗中學（519000） 鐘明亞

物理是一門以實驗為主的學科，實驗在物理教學中占有非常重要的地位。傳統(tǒng)實驗教學往往只是為了提高學生學習的興趣，演示實驗現(xiàn)象，得出實驗結論。傳統(tǒng)實驗教學通常是重實驗結果，輕實驗探究過程。為了落實新課程理念，高中物理教學可以采用探究式實驗教學。教學中應多做實驗，做真實驗，具體可以多設計一些低成本的實驗，讓學生動手操作，幫助學生更好地理解物理本質、掌握關鍵知識。探究式實驗教學需要教師提出問題，并引導學生動手實驗，進而培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力。

筆者在“通電導線在磁場中受到的力”第一課時（安培力的方向）的教學中，以物理學科核心素養(yǎng)為目標，以新課程理念為指導，借助探究式實驗開展高中物理教學，實際教學中注意突出學生的主體地位。

根據(jù)新課程理念分析教材、分析學情。本節(jié)課可以設置6 個任務：（1）創(chuàng)設情境，以導引學；（2）分組實驗，探究安培力的方向；（3）首尾呼應，分析引入時的實驗；（4）演示電流之間的相互作用，以用促學；（5）知識遷移應用，培養(yǎng)愛國精神；（6）問題層層遞進，引導學生深入思考，以改激學。

任務1：創(chuàng)設情境，以導引學

自制簡易實驗裝置進行演示，如圖1。用兩個線圈、一個支架構成一個簡易的平衡天平，將其中一個線圈置于磁場中并通電，原本平衡的天平會發(fā)生傾斜。這個環(huán)節(jié)利用生活中常見的實驗器材搭建簡易的實驗裝置，給學生創(chuàng)設真實情境，增加物理教學的趣味性，激發(fā)學生的學習興趣和探究熱情（科學態(tài)度與責任），從而引導學生進一步思考。

圖1

教師總結：為了紀念安培在電磁學中的偉大成就，將通電導線在磁場中受到的力稱為安培力。

任務2：分組實驗，探究安培力的方向

教師設計問題（如表1），學生討論回答后，教師點評。

表1 問題設計及其指向的素養(yǎng)目標

在探究安培力方向的環(huán)節(jié)中，可以放手讓學生動手操作。請一位學生上講臺操作，改變磁場方向，觀察簡易天平的傾斜情況。再請一位學生上講臺操作，改變電流方向，觀察簡易天平的傾斜情況。此環(huán)節(jié)學生親自動手實驗，親身感受安培力的方向與電流、磁場方向有關，體現(xiàn)了學生的主體地位，培養(yǎng)了學生多動手、勤思考的良好習慣。

在實驗時需要的器材有學生電源、導線、磁鐵等，如圖2 所示。本實驗有三個物理量，故而采用控制變量法來研究安培力的方向。

圖2

為了鍛煉學生分析和解決問題的能力，落實“教師主導，學生主體”的教育理念，本環(huán)節(jié)采用學生分組實驗，4 人一組。學生小組合作組裝實驗儀器，觀察并記錄實驗數(shù)據(jù)，填在表2 中。此環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)學生與人合作、交流、共同完成任務的能力。

表2 分組實驗數(shù)據(jù)記錄

傳統(tǒng)的高中物理教學中，當學生完成并展示實驗結果后，會主動幫忙總結規(guī)律并給出左手定則。安培力方向的判斷，對學生的空間思維能力要求較高，而學生在這方面比較薄弱。為了快速有效地突破這一難點，使學生能夠看懂立體圖，熟悉各種角度的側視圖和俯視圖，可讓學生親自動手構建立體模型。

教師提前準備了兩張卡紙放在桌上，學生先把兩張卡紙交叉，構成簡單的空間直角坐標系（如圖3a），再用馬克筆在卡紙上標出4 組實驗中磁場、電流、安培力的方向，觀察并總結三者之間的關系。圖3b 是某學生根據(jù)數(shù)據(jù)記錄表畫出的關系圖。學生分組討論，派代表展示實驗結果，并用自己的語言總結磁場、電流、安培力的方向。力的方向與電流方向是垂直的，也與磁場方向垂直，即安培力的方向與電流方向、磁場方向都垂直，如圖3c。如何更加精確地判斷安培力的方向呢？教師總結，安培力的方向可用左手定則判斷：伸開左手，使拇指與其余四指垂直，并且都與手掌在同一平面內；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向。

圖3a

圖3b

圖3c

任務3：首尾呼應，分析引入時的實驗

分析課前的演示實驗（如圖4a），引導學生構建物理模型，培養(yǎng)物理科學思維。此環(huán)節(jié)問題層層遞進，以悟促學。不加磁場時，自制的簡易天平為什么平衡？不加磁場時左右各掛著兩個線圈，兩側重力相等，簡易天平平衡，如圖4b。當右側加磁場時，簡易天平為什么傾斜？引導學生研究有磁場一側的線圈，從左往右看，構建簡單的物理模型（如圖4c）。如何判斷安培力的方向？學生利用左手定則可以判斷出安培力的方向。在重力和磁場力的作用下，線圈所受合力不等于重力，左右兩側受力不相等，簡易天平傾斜。那只改變電流方向或者磁場方向時，簡易天平又為什么會傾斜呢？學生自己分析回答：當只改變電流方向或者磁場方向時，安培力的方向變?yōu)榉捶较颍喴滋炱椒捶较騼A斜。

圖4a

圖4b

圖4c

任務4：演示電流之間的相互作用，以用促學

通電直導線周圍存在磁場，磁場對通電直導線有作用力，那么通電直導線之間也有相互作用。它們之間的相互作用是怎么樣的呢？教師設計引導問題如表3所示。

表3 問題設計及其指向的素養(yǎng)目標

教師給學生時間思考猜測，然后拿出通電平行直導線相互作用演示器進行演示。學生先觀察實驗現(xiàn)象，驗證他們的猜想是否正確，然后分組討論，分析“同向電流相互吸引，異向電流相互排斥”的原因；最后展示所畫的原理圖，并解釋現(xiàn)象的原因。假設一根通電導線不動，判斷其周圍的磁場，將另一根通電導線放入磁場中，判斷它的受力情況。同理可以判斷另外一根通電導線的受力情況。同向電流之間的相互作用力，如圖5a；異向電流之間的相互作用力，如圖5b。

圖5a

圖5b

任務5：知識遷移應用，培養(yǎng)愛國精神

電磁炮（如圖6a）是利用電磁力產(chǎn)生動能推進彈丸的一種先進的動能殺傷武器，與傳統(tǒng)大炮將火藥燃氣壓力作用于彈丸不同，它是利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力。

圖6a

為了讓學生更好地理解電磁炮，課堂上教師可播放中國海軍電磁炮上艦測試視頻，并截取視頻中介紹電磁炮原理的圖片（如圖6b）。如圖6b 所示，軌道由兩條平行導軌組成，彈丸夾在兩條導軌之間。兩導軌接入電源，電流經(jīng)一導軌流向彈丸再流向另一導軌，在磁場與電流相互作用下產(chǎn)生強大的安培力，進而推動彈丸，能達到很高的速度。讓學生應用所學知識進行分析討論，說說如何判斷安培力的方向。

圖6b

本環(huán)節(jié)介紹了電磁炮，讓學生感受科學到技術的轉化，有助于培養(yǎng)學生的社會責任感和愛國精神。學生用所學物理知識解釋科技現(xiàn)象，學以致用，會更有學習成就感。

任務6：問題層層遞進，引導學生深入思考，以改激學

不管是我們的課前演示實驗，還是學生的分組實驗，都是電流方向和磁場方向垂直的情況。如果電流方向和磁場方向不垂直，安培力的方向應該怎么判斷呢？教師可引導學生分組討論。當探究電流方向和磁場方向平行時，很多學生絞盡腦汁，不斷擺弄他們的左手，可怎么也擺不出來。在教師的提示下，學生恍然大悟，知道了當電流方向和磁場方向平行時，導線不受安培力，因此不能擺出安培力的方向。如果電流方向和磁場方向既不平行也不垂直呢？經(jīng)小組討論后，學生展示：可以把電流方向分解，其中一個平行磁場方向，另一個垂直磁場方向。當電流方向和磁場方向平行時，不受安培力；而垂直磁場方向的電流，受到的安培力的方向可以用剛學的安培力方向判斷。最后教師點評：當電流方向和磁場方向既不平行也不垂直時，也可以直接用左手定則判斷，讓磁感線從掌心進入即可，不需要垂直掌心。通過不斷思考，學生加深了對左手定則的理解。

本節(jié)課的教學設計，注重物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。通過觀察、探究、實驗、分析等方式，培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力，把以前的“學生被動學”變成“學生主動學”。學生自己動手、動腦，自主討論，分析研究規(guī)律、認識規(guī)律，進而體會學習的樂趣，真正讓物理學科核心素養(yǎng)目標落地。