王兴凤

(西华师范大学物理与天文学院 四川 南充 637002)

罗光华

(绵阳中学实验学校 四川 绵阳 621050)

代伟

(西华师范大学物理与天文学院 四川 南充 637002)

物理学是一门以实验为基础的学科，物理实验是物理学发展的基石和源泉.探究物理规律，揭示物理现象往往离不开实验.高中物理核心素养的内容之一就是以实验为基础进行科学探究.高中物理实验主要分为“演示实验”“学生分组实验”和“课堂实验”[1].演示实验在中学物理教学中占比很大，演示实验的特点是趣味性强，形式多样，所演示的物理现象能给学生留下深刻的印象，同时还能加深学生对所学物理知识的理解.而探究实验不仅能发展学生思维，更能锻炼学生科学探究能力.由于自制教具能按照教师的教学意图自行设计实验装置进行探究和演示，所以在中学物理实验教学中自制教具大有用武之地[2].

1 演示实验引观察 实验原理促思考

1.1 教学活动

安培力新课引入实验中自制教具装置如图1所示.

图1 小猴子荡秋千

教师活动：演示时将线圈推离平衡位置后释放，引导学生观察现象(释放的线圈在安培力和重力的作用下小猴子会来回不停地振荡).

提问思考：小猴子为什么会来回振荡不停？

师：小猴子来回振荡不停，是因为受到了力的作用，那仔细观察这个小教具，主要由什么组成？又是什么给了这个“小猴子”力的作用呢？

生：由支架，线圈，电池，磁铁等组成.

教师：对，而且这个线圈还是通电的，也就是我们把通电的线圈放在磁场中，它就会受到力的作用.这是我们今天要学习的安培力.

1.2 自制教具器材与制作

图1所示教具由3 V直流电源、网上购买的40 mm×20 mm×8 mm铷磁铁，线圈(线圈用0.8 mm左右的漆包线绕制而成，大约10圈即可，漆包线可从网上或电机维修店购买)，塑料支架构成.

制作时将线圈绕成多匝，绕后的线圈一个端头刮掉绝缘漆通过金属挂钩与电源负极连接，另一个端头刮掉绝缘漆后掰开大约30°左右，通过安装在支架上的用螺钉做成的触碰开关与电源正极连接(支架由木质底座和塑料框架构成，将塑料框架用铁钉钉在底座上).教具组装如图1所示.

2 模型建构学定则 自制教具猜因素

2.1 教学活动

师：今天我们要学习的是通电导线在磁场中受到的力——安培力，力是矢量，有大小有方向.那么通电导线在磁场中受到的安培力的方向和什么因素有关呢？

教具组装如图2(a)所示.

教学活动1:模型建构学定则

(1)打开电源开关，引导学生观察导轨的运动方向.

(2)将磁铁翻面，导轨通电方向不变，引导学生观察导轨运动方向.

(3)将磁铁恢复到步骤(1)，交换电源接线柱，引导学生观察导轨运动方向.

教学效果：学生能够观察到(1)与(2)导轨的运动方向相反，(1)与(3)导轨的运动方向也相反.可初步总结出，电流的方向和磁场的方向都会影响安培力的方向.

为了帮助学生更好地探究三者之间的关系，设计了如图2(b)所示的安培力方向判别自制教具，用它分别探究磁场方向、电流方向、安培力方向三者之间的关系.

(a)

(b)

借助自制教具通过分析最终总结得出判断安培力方向的“左手定则”.通过安培力方向探究创新自制教具可以培养学生的创新意识和科学探究素养.

教学活动2:自制教具猜因素

(1)利用教具图2(a)控制电源电流由小到大，引导学生观察导轨运动的快慢.

(2)先将铜条导轨放置在PVC支架的左右槽中，此时不锈钢导轨置于磁场中的长度为150 mm；第二次移动其中一根铜条到支架中间槽中，此时不锈钢导轨只有一半的长度置于磁场中，前后两次保持导轨中电流大小不变.引导学生观察前后两次导轨运动的快慢.

(3)先用普通磁铁进行实验，然后在普通磁铁上粘上几块强磁铁，让磁铁磁性变强.保持其他因素不变，引导学生观察导轨运动快慢.

(4)先后用规格相同的铜制导轨和铝制导轨，保持电流大小、接入磁场导轨长度相同.引导学生观察导轨运动快慢.

教学效果：(1)能观察到导轨运动越来越快;(2)观察到导轨运动第一次较快、第二次较慢；(3)能观察到磁铁磁性增大后导轨运动变快；(4)观察到导轨运动快慢无明显差别.

师：通电导线在磁场中会受到力的作用，那么,安培力的大小与什么因素有关呢？

生：与电流大小、通电导轨处于磁场中的有效长度、磁铁磁性强弱有关.

设计意图：安培力章节教学重点在探究安培力大小，而探究实验中最重要的是提出合理的猜想和假设.通过自制教具引导学生观察、总结出猜想效果远比直接给出猜想，组织学生机械地探究效果好得多，这样也更符合学生的认知逻辑，与学生的思维能力更匹配.

2.2 自制教具器材与制作

图2(a)自制教具装置由24 V可调电源，导线，150 mm×100 mm×20 mm磁铁，直径20 mm不锈钢管，4 mm×10 mm×300 mm铜条导轨(网上购买)、320 mm×150 mm×15 mmPVC板支架等组成.

制作时在PVC支架中心位置开一个150 mm×100 mm的方孔，磁铁安放在PVC板空中，另外在安放磁铁的PVC板的两边分别安装两个150 mm×500 mm×15 mm的支架，在支架上的左中右3个位置上开3个4 mm×15 mm的槽用于安放铜条导轨.

图2(b)自制教具用4块120 mm×120 mm×5 mm的亚克力板相互垂直粘接而成.表示磁场方向的蓝色箭头用2 mm厚的亚克力板采用激光雕刻机加工而成，通过螺钉安装在其中一块板上，磁场方向可绕中心旋转改变方向，同理黑色箭头表示安培力方向.表示电流方向的箭头放在两块板子的中心处，可以通过取上取下来改变电流的方向.

3 探究实验证猜想 学生分组解疑惑

3.1 教学活动

要探究一个物理量与多个物理量的关系，根据之前的学习我们可以采取控制变量法分别探究安培力与这3个影响因素的关系，为此设计的自制教具原理如图3所示，向学生介绍完定量探究安培力自制教具的设计方案和工作原理后，引导学生思考如何利用该自制教具通过控制变量法进行实验探究，培养学生科学思维能力和科学探究能力.学生讨论完实验探究方案后，让学生分组完成探究任务.

(a)

(b)

任务一：当电流大小I和磁感应强度B一定时，通过改变线圈抽头接线，探究安培力大小F与导线长度L的关系.某些条件下不易直接测出物理量，物理学中通常会用便于直接测量的物理量来间接说明，这就是转换法[3].将线圈有效匝数增加倍数等效于导线有效长度的对应倍数.需要注意的是线圈匝数改变后要保证线圈中的电流始终不变.实验数据如表1所示.

表1 I和B一定时探究F与L的关系

任务二：当导线长度L和磁感应强度B一定时，通过可调直流电源改变线圈中电流大小，探究安培力大小F与电流大小I的关系.实验数据如表2所示.

用图像法处理两次实验的数据，如图4和图5所示.得到的图像结果均为过原点的倾斜直线.说明安培力正比于导线电流大小,正比于导线有效长度，即

F=kIL

表2 L和B一定时探究F与I的关系

图4 F-L关系图

图5 F-I关系图

任务三：当导线长度和电流大小一定时，更换不同磁铁，探究磁感应强度B和安培力大小的关系.磁感应强度的大小可以通过高斯计测量得到具体数据，实验全定量探究安培力大小影响因素.实验数据如表3所示.

表3 L和I一定时探究F与B的关系

用图像法处理第三次实验的数据，得到带有数据的坐标点，将坐标点用趋势线拟合，如图6所示，可见结果均为过原点的倾斜直线.说明安培力正比于导线电流大小，正比于导线有效长度，正比于磁感应强度即F=BIL.

图6 F-B关系图

3.2 自制教具器材与制作过程

图3所示教具由24 V可调直流电源、导线、磁铁、朗威力传感器、底座、线圈组成.底座由白色免漆木工板加工而成，在仪器的底座上安装一个型号为OB-3030Q，尺寸为30 mm×30 mm的铝合金型材做的支架，用来悬挂线圈.带有多个抽头线圈的抽头接线穿过铝合金型材的孔槽后接在底板接线柱上，线圈骨架内框尺寸为180 mm×50 mm，宽度20 mm，线圈骨架用2 mm厚的椴木板加工而成.线圈用0.31 mm漆包线绕制而成，线圈抽头分别为200，400，600，800匝，线圈的抽头通过导线与底座上的接线柱连接.仪器底座上安装一个从网上购买的外径为15 cm的餐桌转盘，转盘上安装一个直径为300 mm，厚度为5 mm多层实木圆盘，圆盘上贴上从广告店定制的圆形角度盘，圆形角度盘可在底座上转动以改变线圈底部有效边与磁铁磁感线的角度.两块50 mm×100 mm×20 mm的磁铁用椴木板做成的支架隔开安放在圆形刻度盘上，磁铁之间的间距可以通过调整支架隔板位置进行调整.在两块磁铁的中心位置把线圈悬挂在正上方的力传感器上.线圈挂在力传感器上要固定紧，不能左右转动，同时线圈底部有效边与磁感线垂直，安放磁铁和线圈时要保证线圈所受的安培力方向竖直向下.

4 学以致用 制作个性小旗旋转电机

教师通过迁移本节课所学安培力知识，课堂展示自制小旗旋转电机，如图7所示.

图7 自制旋转小旗

在圆形铁块底座上放一个φ20 mm×30 mm圆形磁铁，磁铁上方放置一节干电池，在干电池的正极上敲一个凹坑.用直径大约1 mm铜线绕一个线圈，线圈直径比磁铁直径稍大，线圈上端放在电池正级上，下端与磁铁靠在一起使线圈形成闭合回路，线圈左右两边粘上红绿颜色胶带，当线圈放到电池上后电机就可旋转.让学生解释小旗为什么会旋转不停.课后让学生动手制作具有自己个性的小旗，学以致用，培养学生动手能力，提高学生物理学习兴趣，加深学生对所学知识的理解.

5 结束语

本节课的教学设计采取将演示实验和学生分组实验相结合的方式进行.新课引入利用演示自制教具给学生创造有趣、生动的教学情景，同时激发学生探究欲望.学生分组实验中利于创新的自制教具让学生经历类似科学家的探索过程，不仅学习知识，加深对物理规律的认识和理解，更能锻炼学生的科学探究能力，领悟科学精神，发展学生的物理学科核心素养.由于探究实验往往需要较强的思维能力，所以在教学中教师要引导学生积极思考，使其逐步建立思维过程.利于创新自制教具，借助简单、直观、便捷的教学器材来开展物理教学,同时也能很好地培养学生的创新意识和创新精神，提高其物理学科核心素养.