探究式“四步教学法”在“磁感应强度”教学中的应用

赵廷富 湖北省武汉市第三中学 选自《物理教师》2008年第7期

我校物理教研组在特级教师的大力倡导下，提出“四步教学法”已经获武汉市教育科研重点课题.通过“四步教学法”使笔者在教学中受益非浅，本文浅谈对“四步教学法”的认识，仅供同行参考。 “四步教学法”的框架如图1所示。

下面就从“四步教学法”的教学模式特征，以“磁感应强度”的教学为例作一介绍。

1．突破教学难点，自制教具

无论是“四步教学法”的发现问题还是研讨结论部分都离不开物理实验，因为物理实验是物理学研究的基础，离开实验也就谈不上研究性学习。在传统教学中，磁感应强度的教学由于只有一个定性的演示实验，故对磁感应强度的概念以讲授为主，忽略了概念的建立过程，不符合现代的教育思想。在中学实验室的条件下，当导体棒通以不太大的电流置于不太强的磁场中，所受的磁场力非常小，不易测量。为了增强学生对磁场力的感性认识，本节课设计了一个定性实验、一个半定量实验和一个定量实验。

2．教学过程

 2．1创设情景、发现问题——在磁场中的不同位置，磁场的强弱一般不同

通过上一节课的学习，我们知道：磁场的基本性质——对放入其中的磁极或电流有磁场力的作用；磁场具有方向性。在磁场中任一点，小磁针北极的受力方向，就是该点的磁场方向。

这一节课，我们继续研究磁场的性质。

观察与分析：请同学们观察下面的实验：这里放有两个相同的小磁针，由于地磁场的作用，它们都指向南北方向。

提出问题：现在，拿一根条形磁铁，放在它们周围。我们可看到小磁针都会发生转动。这个现象说明了小磁针都受到磁场力的作用。

观察与分析：如果我把磁铁逐渐地靠近小磁针，大家猜想会发生什么现象？

学生回答：距磁铁较近的磁针被吸引过来。

提出问题：这个现象说明了什么？

学生回答：距磁铁较近的磁针受到的磁场力大，而较远的受到的磁场力小。

提出问题：两根相同的磁针，距磁铁较近的受到的磁场力大，而较远的受到的磁场力小。这个现象又说明了什么？

学生回答：在磁场中，磁针受到磁场力大的位置说明该处的磁场强，受到磁场力小的位置说明该处的磁场弱。看来磁场的力学性质在空间的分布并不均匀，有的地方强，有的地方弱。

 2．2通过类比，提出猜想

提出问题：如何描述磁场的强弱呢？

这一节课中，我们的任务就是：寻找能客观、准确地描述磁场强弱的物理量。那么，我们从何入手？

引导学生：其实，在电场的学习中，我们已经有过一次经历：探寻过描述电场强弱的物理量——电场强度。当时，我们是从何入手的？我们是从电场的基本性质——对放入其中的电荷受电场力的作用入手，运用比值法，找到了描述电场强弱的物理量——电场强度（E＝F/q）。

那么在探寻描述磁场强弱的物理量时，我们应从何入手呢？

学生讨论：（学生通过充分讨论并类比电场）。研究磁场强弱时，我们要从分析电流在磁场中的受力情况入手，找出描述磁场强弱的物理量。

磁场对电流的作用力通常称为安培力。这是为了纪念法国的物理学家安培。（课后，大家上网查寻安培的生平简介）

现在我们就从安培力的大小入手，来探寻一个能描述磁场强弱的物理量。

2．3合作学习，研讨结论

提出问题：把一段通电的直导体棒放在磁场中所受安培力的大小与哪些因素有关？请同学们猜想。学生回答：

① 通电导体棒所在位置处磁场的强弱：

② 通电导体棒中电流的大小；

③ 通电导体棒在磁场中的长度；

④ 通电导体棒中电流方向与磁场方向间的夹角。

现在请同学们先观察下面的实验（图2），然后继续猜想：安培力还与哪些因素有关？ 这是两个平行金属导轨，在其上方放置一根铜棒，可与电源组成一闭合回路。现在放一U形磁铁，使磁场方向与铜棒垂直。接通电源，大家观察到什么现象？

如果旋转磁铁，使磁场方向与铜棒由垂直逐渐变为平行，又怎样？这个现象说明了什么？

安培力的大小跟通电导体棒中的电流方向与磁场方向间的夹角有关。

更精确的实验表明：当导体棒与磁场方向垂直时，电流所受的安培力最大；当导体棒与磁场方向平行时，电流所受的安培力最小，等于零。当导体棒与磁场方向斜交时，所受的安培力介于最大值和最小值之间。

提出问题：学生们刚才提出：通电导体棒在磁场中所受安培力的大小与4个因素有关。当一个物理量与多个因素有关时，我们可以采用什么样的研究方法？

学生回答：控制变量法。

分组讨论：安培力与4个因素有关，那么，用控制变量法应怎样具体应用到安培力大小的研究上？

（1）把通电导体放在磁场中同一位置，研究最大安培力Fm与电流I和长度L的关系。既然安培力的大小跟电流方向与磁场方向间的夹角有关，我们不妨首先控制第1个变量：使电流方向与磁场方向垂直，研究所受的最大安培力。

其次，安培力的大小跟通电导线所在位置处磁场的强弱有关，我们再控制第2个变量：保持通电导体棒在磁场中的位置不变（即导体棒所在处的磁场强弱不变）。那么，现在安培力的大小研究就转化为：在磁场中同一位置所受到的最大安培力跟I、L的关系．现在开始讨论，设计实验方案：

①当L不变时，研究F_m与I的关系。

②当I不变时，研究F_m与L的关系

（2）把通电导体棒放在磁场中的不同位置，研究Fm与磁场强弱的关系。为了便于研究安培力的大小，现介绍研究、测量安培力大小的装置和实验。

【设计思想】

当导体棒通以不太大的电流，置于不太强的磁场中，所受的安培力极小，不易测量。我们利用光放大原理，设计了如图3所示的实验装置。

【装置介绍】

在图3中，在物理天平横梁上固定了一小块平面镜，天平左侧放置激光器，右侧放置光屏．让一束激光射到平面镜上，其反射光投射到远处的光屏上。天平的左端悬挂一根铜棒，铜棒的4个接线点，分别与1、2、3、4导线连接。若1、4接线头接入电路，通电部分的长度为L₁＝68mm；若2、3接线头接入电路，通电部分的长度为L₂＝34mm。它们通过限流电路与电源连接。在导体棒的下方，放置一U形磁铁，可将导体棒处于U形磁铁的磁场中。在天平的右端悬挂合适的配重杆，在导体不通电时，可使天平平衡。由于安培力极小，所以自制钩码是用长度相等的铜丝制成，记为单位钩码。

【实验原理】

现在导体没有通电，天平已调节平衡，此时光点在光屏上的位置即为天平的平衡位置。当导体棒通电后，如果受到向下的安培力作用，天平的横梁会越时针转动，光屏上的光点相对平衡位置上移。在配重杆上加挂合适的钩码，光屏上的光点回到平衡位置或在平衡位置上下做等幅振动。此时，钩码的重力等于导体棒所受的安培力。

【实验过程】现在我们利用这个装置来测量安培力的大小。（请一位学生在讲台前读电流值）用课件展示记录表格，教师边做实验边请学生在电脑上记录数据。

表1（L₁＝68mm）

②将接线头2、3连入电路，重复步骤①，并记录数据在表2中

表2（L₂＝34m）

  【数据观察与分析】

分组分析实验：请大家分析表1或者表2中的数据，当L不变时，找出F_m与I关系；比较表1和表2中的数据，当I不变时，找出Fm与L的关系。由此得出：F_m正比于I；Fm正比于L；即F_m正比于IL。在磁场的同一位置，F_m/IL为定值。 教师小结：如果时间允许，我们把通电导体棒放在磁场中的不同位置，同样可得出F_m/IL为定值的结论。只不过，位置不同，比值可能不同。

 ①结论：在磁场中的任一位置，F_m/IL是个定值；在磁场中的位置不同时，这个比值一般不同。

②物理意义：

第一，此比值与I、L有无关系？I、L变了，但是比值不变，说明此比值与I、L无关．那么，比值与什么有关呢？看来比值只能与磁场本身有关。

第二，比值在数值上等于垂直于磁场方向的单位长度的导线通以单位电流所受的安培力。比值大说明单位长度、单位电流受到的安培力大；比值小说明单位长度、单位电流受到的安培力小。同样的导线，在比值大的位置受到的安培力大，在比值小的位置受到的安培力小。看来这个比值的大小确实能反映出磁场的强弱。因此我们可以用比值F_m/IL来描述磁场的强弱，把它叫做磁感应强度。（因本文篇幅有限，余下小结内容从略）

2．4联系实际、深化认识

这里主要是通过一道例题使学生们进一步认识到：在磁场中某处放置不同的通电导线，甚至不放导体，磁场中磁感强度的大小都不变。说明磁场中某处的磁感应强度与通电导线的电流大小、导线长度无关，由建立该磁场的场源情况和该处的空间位置决定，属于磁场自身的属性。

例题：匀强磁场中长为2cm的通电导线垂直于磁场方向放置，当通过导线电流为2A时，所受安培力的大小为8×10－⁵N，该处的磁感应强度B为多大？如果将导线长度改为1cm，其余条件不变，导线在该处所受的安培力多大？

发布时间：2009/2/25 下午3:42:06  阅读次数：10053