类比迁移建概念 相互关联成观念——以“磁感应强度”教学为例

田成良 李凯波

(1.北京市海淀区教师进修学校，北京 100080; 2. 北京教育学院丰台分院，北京 100073)

磁感应强度是电磁学的基本概念之一,如何描述磁场的强弱和方向是本章教学的一个难点．磁场,具有抽象性,较难理解．学生的困难主要集中在两个方面:一是概念的抽象性,学生对“磁场”这种物质形态,觉得看不见、摸不着,缺乏相应的直接经验与感受;二是知识的综合性,由于磁场对电流的作用远比电场对电荷的作用复杂,因而与磁感应强度概念相关联的知识也就更多．所有这些,都对学习者的抽象思维能力和逻辑推理能力提出了更高的要求．

基于以上分析,建立磁感应强度概念时,不能急功近利,也不能好高骛远,应当引导学生,从具体的事物,具体的认识开始,引导学生在探究中将旧的认识转变为新认识．学生已经学习了电场的概念,也在初中认识了磁场的一些性质,因此要结合学生原有的认识水平,引导学生在探究中将旧认识转变为新认识,不仅能实现学习进阶,还能培养学生的物理观念．通过本节课的学习,帮助学生形成“物质(场)观念”和“相互作用观念”,并重新认识定义场强度的思想方法．

1 创设情境,引入问题

首先,提出问题“磁场有强弱”．演示:把小铁丝放在磁铁的近处、远处,铁丝受到磁铁的作用力有大小．举例:大的电磁铁能吸起成吨的钢铁,小磁体只能吸起小铁钉;将两个条形磁铁吸在一起,用手可以很容易拉开;把两个强磁铁吸在一起,请力气很大的男生都很难徒手拉开．可以看出不同的磁铁,磁场强弱并不相同,同一磁铁不同位置磁场强弱也不同,怎样定量描述磁场的强弱和方向呢?

2 摸清起点,类比迁移

由于磁场看不见,摸不着,不容易定量研究其大小和方向,能否借鉴学习电场的思路,研究磁场的强弱呢?学生回顾:引入检验电荷q,观察受力情况,同一电荷放在电场中的不同位置受力不同,说明电场强弱不同;在同一位置放不同电荷,观察不同电荷受力也不同,但是F/q为常数．因此,F/q这一比值能反映电场本身的强弱,与q无关．根据已有知识和经验,学生可以想到在磁场的不同位置放入小磁针,通过研究小磁针的受力情况,即为描述磁场强弱的物理量．这时教师可以指出,小磁针静止时,两个磁极所受合力为0,小磁针不会单独存在一个磁极,因此无法从小磁针受力的角度研究磁场的强弱,不像电荷那样,能够量化检验电荷的电荷量q．除了小磁针,磁场还对哪些物体有力的作用呢?而且要求方便测量,学生自然想到,磁场对通电导线也有力的作用,而且电流的大小容易控制和测量．

评析： 学生在初中已初步了解通电导体在磁场中受力的相关知识,借助与电场知识的类比,进一步促进学生探寻磁场与电场之间的关联,深化对场的认识和理解,促进学生认识物理现象之间的联系,同时辅以启发式教学,引导学生应用类比法研究问题,并在实验的基础上理解磁感应强度的概念．

3 分层突破 优化方案

结合初中物理学过的“通电导体在磁场中受力”的知识,引导学生思考,能否用通电导线研究磁场的强弱呢?进而提出探究主题“影响通电导线受力的因素”．取一根导线为研究对象(具有可改变长度的接线柱),并提供:电源、滑动变阻器、电流表、电子秤、导线若干、蹄形磁铁(6个)等器材．为使学生能掌握实验原理,突破自主设计实验的难点,设置问题进行引导: (1) 如何改变电流大小; (2) 怎样改变导线长度; (3) 怎么测量导线受力大小．引导学生用控制变量的思路,设计实验方案．

学生自主交流,分组讨论,达成共识,明确实验方案:以通电导线为研究对象,连接不同长度导线的接线柱(如图1所示),即可改变导线的长度,将相同的马蹄形磁铁并排放置,N、S极之间形成磁场．利用电源、滑动变阻器、电流表等构成这样一个电路,通过滑动变阻器调节电路中电流大小．通电之后,利用左手定则分析导线受力方向(竖直向下),用电子秤(精度0.01g)测量通电导线受力的大小(注调零后电子称显示的是克数,用克力表示)．

图1

3.1 实验操作 凸显方法

探究导线在磁场中受力大小,其影响因素可能与电流大小、导线长度、磁场强弱等多个因素有关,所以必须按照控制变量的思路进行实验．并保持通电导线的位置不变(放置在磁铁下方2cm处),测量力并将数据记录在表1，表2中．

(1) 保持I同,L不同,比较同一位置导线受力大小．

表1 L= 16 cm

(2) 保持L同,I不同,比较同一位置导线受力大小．

表2 I= 2 A

3.2 问题引领 数据分析

实验结束后,针对实验数据,让学生分组讨论,并设置问题,引导学生分析归纳结论．

问题1:分别观察表1和表2,你有什么结论?

类比电场强度,能否用它们的比值描述磁场强弱?其中,表1中长度都是16cm,力还受导线长度的影响,当长度改变时,F/I将不是定值,不能用来描述同一位置的磁场强弱．同样,表2中电流都是2A,不能用来描述同一位置的磁场强弱,还与电流大小有关,也不能用F/L描述磁场强弱．

问题2:能否把I和L绑在一起,看做一个量,进行分析,你能发现什么规律?

在学生思考的基础上,用Excel拟合,通过实验数据分析得出(见表3):在同一(匀强) 磁场中F/IL是个定值．该比值反映了规律性,能够反映磁场本身的性质,实验图像如图3所示．

表3

问题3:在同一磁场中不同位置,这个比值相同吗?

将通电导线远离磁铁,放置在磁铁下方5cm处,重复上述实验．分析图4可知,离磁铁越远磁场弱．充分说明了这个比值能够反映磁场强弱,比值大磁场强,比值小磁场弱．

图3

图4

问题4:在不同的(匀强)磁场中,仍能用F/IL描述它的性质吗?为什么?

重复试验,并分析实验数据可见:在不同(匀强)磁场中,F/IL为另一个确定的比值．该比值仍具有客观性,仍能描述磁场的强弱．

3.3 图文分析 建立概念

问题5:在一般的(非匀强)磁场中,还能用F/IL描述它的性质吗?为什么?

启发学生运用“无限分割、以匀代变”的极限思想进行分析推理．也可以描述磁场的强弱．因此,我们把IL称为电流元,比值F/IL起名叫做磁感应强度,用“B”表示．由此,并进一步介绍比值定义法含义,引导学生回顾以前学过的加速度、功率、电容等概念建立的思路,从而让学生认识到值定义法建立概念的重要性．

评析：让学生理解“为什么用比值(F/IL)定义磁感应强度,是本节课的关键所在．教师在教学中要适时地提出问题,为学生设置必要的认知台阶,让他们去经历并完成新概念的建构过程．

3.4 变式操作 拓展应用

上述测得的F-IL图线的斜率即为磁感应强度．在磁铁下方2cm,B约为11.5mT,下方5cm,约为4.5mT,地磁场约为0.05mT,1T是非常强的磁场．为进一步了解磁场的磁感应强度，在教学手段方面,除了发挥传统教学手段的作用外,还应充分利用现代教学技术．例如,通过数字传感器采集实验数据,运用计算机分析处理数据等(图5).这样不仅可以丰富实验内容,改进实验效果,为学生建构和理解磁感应强度的概念打下了良好基础,并且还节省了时间,提高了教学效率．

图5

评析： 通过讨论猜想、实验探究、分析归纳等步骤,体验科学探究过程,增强创新意识和实践能力,培养自主探究的能力,体现学生主体性,让学生实现由学会到会学的转变．在教师与学生相互合作、共同探讨的过程中,观察现象,引导学生得出结论,给出定义,完成本节课的学习．

4 梳理总结 关联提升

磁感应强度概念是电磁学知识网上一个重要的节点,对于相关知识的学习有着不可或缺的作用．其研究思想方法与电场一脉相承,一些重要的物理方法,例如物理量的“比值定义”、 多因素“变量控制”、 以匀代变的“极限思想”等,在本节课中都将再次涉及．所以,新课结束后,需要及时回顾概念建立的思路,以及所用到的思想方法,感悟电场强度与磁感应强度类比迁移的衔接巧妙,深刻理解比值定义法建立概念的策略和涵义,具体分析流程如图6所示．

图6

梳理总结,不仅能让学生对磁感应强度有一个整体的认识,深刻理解其内涵．还能通过对建立电场强度概念(也可增加重力场强度)的分析,学会间接地描述磁感应强度的根本方法．希望通过学习磁感应强度这一概念的过程,帮助学生对“场”这类特殊物质建立系统的认识,形成物理观念,发展学生的物理核心素养．