基于演示實(shí)驗(yàn)的物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力”一課為例

浙江省杭州市余杭中學(xué)（311121）夏建平

一、教學(xué)思路

“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力”一課的教學(xué)充分利用教材中的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)安培力的方向，并將安培力大小的探究設(shè)計(jì)為演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)和理解安培力大小的關(guān)系式。整節(jié)課以學(xué)生為主體，以體驗(yàn)為主線，以引導(dǎo)為輔助，充分展現(xiàn)物理課堂的趣味性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，獲得探求知識(shí)的方法和途徑，體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂和成就感，從而激發(fā)學(xué)生探究學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.知識(shí)與技能目標(biāo)：能夠理解當(dāng)安培力、電流、磁場(chǎng)的方向都兩兩垂直時(shí)，安培力的方向用左手定則來判斷。會(huì)應(yīng)用安培力公式F=BIL解決相關(guān)問題；知道當(dāng)I與B平行時(shí)，通電直導(dǎo)線受到的安培力等于零，是最小值；當(dāng)I與B垂直時(shí)，通電直導(dǎo)線受到的安培力等于BIL，是最大值。能夠理解磁電式電流表的內(nèi)部由線圈（帶指針）和磁極組成以及通電后線圈受到安培力會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

2.過程與方法目標(biāo)：通過“課堂演示—分析歸納—總結(jié)應(yīng)用”這條主線，學(xué)生能夠理解安培力的方向以及安培力大小的關(guān)系式，培養(yǎng)學(xué)生的想象能力。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：能通過分析歸納個(gè)別事物的個(gè)性，進(jìn)而認(rèn)識(shí)一般事物的共性，學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)事物的科學(xué)方法。通過對(duì)磁電式電流表內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察，能用所學(xué)知識(shí)解釋其工作原理，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)物理知識(shí)是非常有用的。

三、教學(xué)儀器

磁電式電流表，強(qiáng)磁鐵，自制銅棒，自制導(dǎo)軌，學(xué)生電源，安培力方向演示儀，力傳感器，電流傳感器，數(shù)據(jù)采集器，滑動(dòng)變阻器，導(dǎo)線（若干），電腦，多媒體輔助教學(xué)設(shè)備。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）課堂導(dǎo)入

用事先準(zhǔn)備好的磁電式電流表做演示實(shí)驗(yàn)：當(dāng)磁電式電流表通有電流時(shí)指針發(fā)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)；互換電池正負(fù)極之后指針往相反方向偏轉(zhuǎn)；調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器后指針偏轉(zhuǎn)角增大或減小。待學(xué)生觀察這些現(xiàn)象后，教師提出問題：為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？大家想不想知道磁電式電流表的結(jié)構(gòu)？學(xué)生大聲喊“想”，興趣和激情被完全激發(fā)了出來。對(duì)高中生而言，親自動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索是最有趣的事情。課堂上，教師可以讓兩名學(xué)生上講臺(tái)動(dòng)手拆磁電式電流表，并讓其他學(xué)生近距離觀察。通過觀察磁電式電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生初步發(fā)現(xiàn)了問題所在：磁電式電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)重要的部件，一是線圈，二是磁鐵。當(dāng)線圈中通有電流時(shí)，線圈就會(huì)在磁場(chǎng)中受到力的作用，而改變電流的方向和大小，線圈的受力方向和大小就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變指針的偏轉(zhuǎn)方向和角度，從而切入本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容——安培力。

通過課堂導(dǎo)入切入主題后，學(xué)生了解到這節(jié)課的主要內(nèi)容是研究一個(gè)力，而力是一個(gè)矢量，要弄清楚一個(gè)矢量，就要明確其大小和方向。這時(shí)有很多學(xué)生就會(huì)明白這節(jié)課的主題是研究安培力的大小和方向，探討影響安培力大小和方向的相關(guān)因素，如此便確定了這節(jié)課的重難點(diǎn)問題。

（二）探究安培力的方向

1.猜想：結(jié)合磁電式電流表正反接時(shí)指針會(huì)有不同的偏轉(zhuǎn)方向的現(xiàn)象，讓學(xué)生猜想安培力的方向可能跟哪些因素有關(guān)。

2.自制實(shí)驗(yàn)裝置：安培力方向演示儀（如圖1）。

圖1

3.實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)：用自制的實(shí)驗(yàn)器材——安培力方向演示儀研究安培力的方向。實(shí)驗(yàn)中研究的是安培力方向、電流方向、磁場(chǎng)方向三者之間的關(guān)系，所以采用控制變量法，并同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)、表格（如表1）、圖像（如圖2）共同展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)圖像。

表1 實(shí)驗(yàn)研究

圖2

4.實(shí)驗(yàn)規(guī)律總結(jié)：

由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合表格與圖像，引導(dǎo)學(xué)生了解電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B和安培力F的方向關(guān)系滿足一定的規(guī)律，并帶領(lǐng)學(xué)生用左手做手掌操，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出左手定則：

①伸開左手使拇指和其余四指垂直，并且和手掌在一個(gè)水平面內(nèi)；

②讓磁感線通過掌心；

③四指指向電流方向；

④拇指則為力的方向。

5.回歸教材，巧用實(shí)驗(yàn)學(xué)以致用：利用教材上的演示實(shí)驗(yàn)（高中物理選修3-1 P92 圖3.4-3）研究?jī)筛叫型妼?dǎo)線之間相互作用的方向。首先，讓學(xué)生用左手定則分析兩根通電直導(dǎo)線當(dāng)通有相同方向的電流時(shí)會(huì)發(fā)生怎樣的相互作用。在教師的引導(dǎo)下，很多學(xué)生得出“當(dāng)通有相同方向的電流時(shí)兩根通電直導(dǎo)線相互吸引”的結(jié)論。接著，用自制的教具進(jìn)行驗(yàn)證，具體操作是平行擺放兩根導(dǎo)體棒，使其并聯(lián)得以通有同方向的電流。但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻是兩根導(dǎo)體棒紋絲不動(dòng)，檢查線路沒發(fā)現(xiàn)有什么問題。這是什么原因呢？這引發(fā)了學(xué)生的思考與討論。有的學(xué)生說摩擦力太大了，有的學(xué)生認(rèn)為導(dǎo)體棒不夠平行。由于時(shí)間原因，這一問題在課堂上暫不揭曉答案，留下懸念。最后，用一套經(jīng)過改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)器材（如圖3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩根通有相同方向電流的導(dǎo)體棒產(chǎn)生了明顯的相互吸引的現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生明白了設(shè)計(jì)一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)要考慮很多因素，很多實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是物理學(xué)家經(jīng)過不懈的努力，一次次地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)器材改進(jìn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的方案進(jìn)行一次次修改而得出的。教師由此教導(dǎo)學(xué)生：大家在生活和學(xué)習(xí)上也應(yīng)如此。這次演示實(shí)驗(yàn)是從物理教學(xué)到為人處世的教育，也是對(duì)學(xué)生情感態(tài)度與價(jià)值觀的升華。

圖3

（三）用現(xiàn)代科技實(shí)驗(yàn)定量測(cè)量安培力的大小

對(duì)于安培力的大小，教材僅進(jìn)行了這樣的描述：垂直于磁場(chǎng)放置一段長為L的導(dǎo)線，當(dāng)通過的電流為I時(shí)，它所受的安培力為F=ILB；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與導(dǎo)線的方向平行時(shí)，導(dǎo)線受力為0。這樣的表述說服力不夠，如果能夠創(chuàng)造條件，對(duì)安培力的大小進(jìn)行定量測(cè)量，會(huì)有更好的效果。要做這樣的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)教具是無法實(shí)現(xiàn)的，我校的電子物理實(shí)驗(yàn)室配備了各類傳感器。筆者在定量測(cè)量安培力的大小時(shí)使用了傳感器。

首先，簡(jiǎn)單地給學(xué)生介紹所用到的傳感器（如圖4）。圖4中分別是電流傳感器、力傳感器和數(shù)據(jù)采集器。

圖4

接著，給學(xué)生介紹傳感器使用的電路圖（如圖5）。

圖5

最后，利用傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)線圈在磁場(chǎng)中的長度，第一次的長度是第二次的2 倍，利用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)得到如圖6所示的結(jié)果。

圖6

對(duì)F=BIL進(jìn)行變形，可得F=BLI，根據(jù)控制變量法，先控制長度L和磁感應(yīng)強(qiáng)度B不變，從圖6中可以很明顯地得到力F和電流I成正比；在圖6 中找電流相同的點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)電流I相同時(shí)，長邊受到的力和短邊受到的力滿足2∶1 關(guān)系，因?yàn)殚L邊和短邊的長度之比也為2∶1，所以可以得到力F和長度L之間也是明顯的正比關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)到圖像，都非常直觀地體現(xiàn)了安培力F與電流I、長度L成正比的關(guān)系，當(dāng)然圖像的斜率也可以說明問題。

第二個(gè)傳感器實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I的夾角θ的關(guān)系，如圖7所示。

圖7

從圖7 中可以非常直觀地得到安培力F與磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電流I的夾角θ的關(guān)系：當(dāng)夾角θ為90°時(shí)，安培力最大；當(dāng)夾角θ為0°時(shí)，安培力為零。

（四）首尾呼應(yīng)

課始，教師通過展示磁電式電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引導(dǎo)學(xué)生觀察思考并導(dǎo)入課堂。雖然學(xué)生對(duì)磁電式電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理已有所了解，但還不是很明晰。對(duì)此，在課尾，教師非常有必要對(duì)磁電式電流表的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹（這里不再展開）。這樣的教學(xué)安排，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)更有深度，并使得課堂有始有終，首尾呼應(yīng)。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能主動(dòng)參與，積極思考，對(duì)安培力的方向和大小等的理解較為透徹，并能熟練地應(yīng)用左手定則判斷安培力的方向，以及應(yīng)用關(guān)系式F=BIL計(jì)算安培力的大小。以下三個(gè)方面需要引起注意：

1.教師應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)與教學(xué)緊密結(jié)合，讓學(xué)生作為知識(shí)探究的主體，去觀察發(fā)現(xiàn)、邏輯分析并解決問題。本節(jié)課采用了教師演示實(shí)驗(yàn)的方式去引導(dǎo)學(xué)生探究安培力的方向和大小，有效培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

2.除了要充分理解教材，熟悉教材知識(shí)，教師還應(yīng)深入研究學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和最近發(fā)展區(qū)，例如哪些知識(shí)是學(xué)生的疑點(diǎn)，哪些知識(shí)是學(xué)生的盲點(diǎn)，等等。在教學(xué)中，教師要借助演示實(shí)驗(yàn)，從感官到思維真正地把學(xué)生帶進(jìn)科學(xué)探究的殿堂。

3.安培力的判斷方法——左手定則，涉及力F、電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B三個(gè)物理量的方向，而學(xué)生的空間想象力不夠強(qiáng)，因此這是學(xué)生的一個(gè)學(xué)習(xí)難點(diǎn)。對(duì)此，教師可引導(dǎo)學(xué)生將空間的三維圖形轉(zhuǎn)化為平面的二維圖形，如側(cè)視圖、俯視圖和剖面圖等，從而使學(xué)生有效掌握安培力的判定方法。