巧妙改进实验，突破磁感应强度定义的教学难点

张学庆

摘   要：笔者通过自制教具创设物理情境，引导学生实验探究“影响通电导线受力的因素”。探究过程中采用控制变量法定量测量数据，接着分析实验数据，再通过科学推理，用类比法、比值定义法让学生建立起物理概念，完成从经验性常识到物理概念的转变。

关键词：定量探究;磁感应强度;控制变量法;类比法;比值定义法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0073-3

1    设计理念

《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出：通过创设情境培养学生的物理核心素养。物理概念的建立需要创设情境，学生在学习物理概念之前，基于生活经验形成了大量的经验性常识，要在此基础上建构物理概念，必须对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括事物的共同属性，抽象事物的本质特征，完成从经验性常识向物理概念的转变[1]。物理学是一门实验科学，教师在平时的教学中常把实验教学作为培养学生探究学习能力的重要途径，使学生在经历实验探究的过程中学科能力和学科素养得到全面的发展和提升。

笔者在教学中努力通过创设物理情境，让学生经历概念的建构过程，促进学生更深刻地理解物理概念的本质。本文以“磁感应强度”实验教学为例进行讨论。

2    教材分析

教材中的演示实验“探究影响通电导线受力的因素”是定性研究。一根通电直导线受到的磁场力太小，加上重力的影响，导线摆动不明显。但是，教材给出的是定量结论，学生接受起来较牵强，可能会影响教学效果。因此，笔者尝试改进本实验。

3    学情分析

学生在学习物理的过程中已经多次接触并了解了比值定义法。此处可以类比电场里寻找描述电场强弱的物理量（电场强度）的过程，知道了比值仅与电场本身有关，反映了电场本身的性质，用比值定义法将其定义为电场强度E=，学生有了认知基础。

鉴于此，对实验装置做了创新改进，实现定量探究磁场力，并分析实验数据，运用比值定义法给出磁感应强度B的定义式。

4    实验教学目标

（1）通过自制教具，改进实验，用控制变量法研究问题，定量探究“影响通电直导线在磁场中受力的因素”，经历科学探究过程。

（2）分析实验数据，通过科学推理概括得出比值反映了磁场的强弱（本质特征），将其定义为磁感应强度B，形成物理概念。

（3）引导学生经历物理概念的建构（比较—概括—抽象）过程，完成从经验性常识到物理概念的转变，认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，培养学生的科学态度。

5    实验创新要点

（1）如图1所示，用多匝线圈代替单根导线放大了所受磁场力，并巧妙地用针尖作为支点（同时针导电流进线框），当线圈受磁场力时，它可以自由摆动，同时带动上方的指针向右偏转，显示在角度盘上。这里用到了微小量放大法。

（2）巧妙设计，利用杠杆原理，借助针、角度盘、纸砝码等创新设计，将定性实验改进成定量实验。

（3）用控制变量法定量测量多组数据，然后分析数据，引导学生类比电场强度的定义，用比值定义法水到渠成地得出磁感应强度的定义式B=（导线垂直放入磁场）， 利于学生理解物理概念的本质。

6    实验教学准备

（1）实验器材准备（如图2）：改装铁架台，自制教具[其中包含焊有多匝线圈的铜框、指针、纸砝码（如图3）、角度盘等]，4个蹄形磁铁，学生电源，滑动变阻器，电流表，单刀开关，导线若干。

（2）用串联方式连接好电路，如图2（该套器材由李锋老师制作，器材制作方法另有篇幅介绍）。

（3）实验方案：根据前面已掌握的知识，让学生猜想影响通电导线（垂直放入）受力的因素：电流、长度。采用控制变量法研究磁场力与电流、长度的定量关系[2]。

7    实验教学过程

（1）实验操作

①保持铜框稳定，调节角度盘使指针指在角度盘中央。

②闭合开关，调节滑动变阻器使I=0.20 A，指针向右偏转，在左侧悬挂1个纸砝码，左右移动悬挂位置，使指针回到中央，说明一个纸砝码的作用效果抵消了磁场力使指针向右偏转的效果。根据杠杆原理，可以用1个纸砝码作为单位来记录磁场力F，此时记录数据 F为1个单位纸砝码。

③为了便于调节，在左侧再挂1个纸砝码，然后调节滑动变阻器，增大电流，增大磁场力，把指针拉回角度盘中央，测得电流I=0.40 A。同上操作，磁场力F为3个单位纸砝码时，测得电流I约为0.60 A。

④换用强磁铁（尺寸、重量和前两个磁铁相同，通过充磁器充磁后磁性更强，用磁传感器测量得磁性近似相等）重复实验。当I一定时，改变L：先放1个强磁铁，此时通电导线在磁场中的长度L为1个磁铁的宽度，L记为1d。调节电流I=0.20 A，测得磁场力F为1.25个单位纸砝码。保持电流不变，再放1个磁性近似相等的强磁铁，L为2d时，测得磁场力F为2.5个单位纸砝码。同上操作，L等于1d、电流等于0.40 A时，测得磁场力F为2.5个单位纸砝码。

实验数据记录如表1。

（2）分析数据

由①②③④⑤可得，当L一定时，磁场力F∝I;由④⑥可得，当I一定时，磁场力F∝L。并发现，磁场力大小不能表示磁场强弱。（通电导线所受磁场力跟I、磁场中的导线长度L都有关，即使在磁场的同一位置，I或L不同，所受磁场力也不同），让学生思考“用什么量來描述磁场的强弱”，这个量应该只与磁场位置有关。

（3）得出结论

引导学生用类比法，类比电场强度的定义E=，求F与IL乘积的比值[3]。计算后发现：这一比值，与电流的大小无关，与导线长度的大小无关，只跟磁场位置有关，反映了磁场本身的性质。弱磁场中比值小，2.5;强磁场中比值大，=6.25;比值越大，磁场的磁性越强，它反映了磁场的强弱。我们将其定义为磁感应强度B=（导线垂直放入磁场），即磁感应强度的物理意义（概念本质）。

8    实验教学反思

（1）本节实验教学，先介绍实验器材，让学生熟悉实验原理，然后老师和学生一起设计实验方案、采用控制变量法进行实验探究，实现了定性研究到定量探究的改进。

（2）改进后的实验，实验现象明显，数据可靠，较大信度地帮助学生形成物理概念，课堂效果理想。

（3）老师和学生一起分析实验数据、找规律，通过科学推理类比电场强度的定义，概括出事物的本质属性（磁感应强度的物理意义），“触摸”到概念的本真，突破了本节概念教学的重点、难点。

（4）通过创新设计的器材，创设具体的物理情景，让学生经历“提出问题—设计方案—实验探究—分析数据—概括归纳—建立概念”的过程，从而体现建构主义所认为的“学习是学习者有意义的、主动的建构，是新旧知识之间‘同化或‘顺应的相互作用，学习者习得的知识和能力则是知识内化的结果”[4]。提高了学生分析解决问题的能力，达到从感性认识到理性认识的目的，提升了学生的物理学科素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中物理课程标准实验教科书物理选修3-1教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]石尧，陈清梅，邢红军.论高中物理“磁感应强度”教学的逻辑[J].物理教师，2014，35（7）：11-13.

[4]戴大勇.物理教学难点的突破方法与策略——以人教版高中物理3-1“电场 电场强度”为例[J].物理教师，2018，39（2）：35-38.（栏目编辑    李富强）