基于发展核心素养的探究性教学设计——“磁场对运动电荷的作用”一课为例

吴 刚

(巴中市恩阳区恩阳中学，四川 巴中 636064)

1 导引

2017年教育部制定了《普通高中物理课程标准》,标准凝练了主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面的物理学科核心素养．[1]物理核心素养是学生接受物理教育过程中逐渐形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品质和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质,是学生科学素养的重要构成．核心素养的制定很好体现了物理学科的育人价值,是对三维课程目标的提炼和升华．[2]

图1

皮亚杰的建构主义观点认为,学习是学习者在一定的情景下,借助他人(教师、学生等)的帮助,利用必要的学习资源,通过学生主动的意义建构方式而获得,学生从原有的认知结构转化为新的认知结构．这就要求学生在学习过程中用探究的方法去建构知识的意义,将新、旧知识联系起来,并对这种联系加以认真思考．同时,在学习过程中与他人进行协作、交流,从而促进意义建构．[3]如何在物理课堂教学中更好地让学生建构知识,实现对学生核心素养的培育和提升,笔者以教科版高中物理选修3-1第3章第4节“磁场对运动电荷的作用——洛伦兹力”一课为例,构建以启迪教学激发学生思维,探究教学培育学生素养的教学设计．在深入研读教材的基础上,制定其课堂教学流程如图1所示．

2 教学过程

2.1 课题引入

图2

教师播放视频短片“极光”,视频截图如图2所示．提问:为什么极光只出现在地球两极?指出极光的出现与带电粒子受磁场力的作用有关,激发学生对自然现象的好奇和思考,调动学习的积极性,初步建立磁场、电荷、运动及其相互作用的物理观念和从物理学视觉解释自然现象的意识．

2.2 复习导引

教师引导学生复习回忆电流是大量自由电荷定向运动形成的,金属导线中自由移动的电荷是电子,并且规定正电荷的定向运动方向即自由电子定向运动的反方向为电流方向,垂直放置在磁场中的通电导线(电流)要受到安培力作用．结合这两点启迪学生思考,磁场对运动电荷是否有力的作用?安培力是否是磁场对大量定向运动电荷作用的宏观表现?引导学生在已有知识储备的基础上去发现问题并能提出合理的猜想,培养学生科学探究意识．

2.3 实验验证磁场对运动电荷是否有力的作用

教师简介电子束演示器的主要构造和原理,如图3所示．指导学生使用演示器和用条形磁铁N极靠近玻璃管,观察实验现象,发现电子束径迹发生偏转,如图4所示．启迪学生从物体做曲线运动的条件分析得出运动的电荷受到一个与运动方向存在夹角的力,这个力就是磁场对运动电荷的作用力,我们称这种力叫做洛伦兹力．从复习旧知识中提出问题,大胆作出猜想与假设,并用演示实验得以验证,较为完整地呈现科学探究的一般环节．通过这一探究环节的设计,让学生积极参与、体验,感知新知源于探索．

图3

2.4 实验探究洛伦兹力的方向

图5

教师启迪学生思考:磁场对通电导线(电流)的安培力方向可以由左手定则判断,而电流是大量自由电荷定向移动形成的．磁场对运动电荷的洛伦兹力方向是否也可以用左手定则判断?学生借助电子束演示器、条形磁铁去探究洛伦兹力的方向．为便于学生在实验探究过程中观察,表达磁场方向、电子运动方向和洛伦兹力方向,最终验证3者方向是否满足左手定则,教师有必要引导学生建立空间直角坐标系．例如建立以电子束出射点为坐标原点,电子束出射方向为x轴正向,竖直向上为y轴正向,垂直于实验观察者方向为z轴正向的空间直角坐标系,如图5所示．条形磁铁分别沿平行于坐标轴放置,使磁场方向与电子运动方向平行或垂直,N极靠近演示器玻璃管,分别指向+x、-x、+y、-y、+z、-z6个方向,观察电子束在条形磁铁N极不同取向下的径迹偏转方向．

教师指导学生分析实验观察到的现象,循序渐诱学生得出结论:

(1) 电子束径迹偏转方向是电子所受到的洛伦兹力方向;

(2) 电子束不发生偏转,说明电子不受洛伦兹力作用,而电荷在电场中一定受到电场力,运动的电荷在磁场中却不一定受洛伦兹力;

(3) 用伸直的左手判断洛伦兹力方向时,发现当磁场方向垂直穿过手心,四指指向电子运动方向,大拇指所指的方向却是径迹偏转的相反方向．问题出在哪儿呢?引导学生回忆正电荷定向运动的方向规定为电流方向,电子带负电荷,用左手去判断带负电的电子所受的洛伦兹力方向,应该将四指指向电子运动的相反方向,那么大拇指所指的方向就是径迹的偏转方向．

通过教师的指导、点拨,学生的探究、分析,带电粒子在垂直于磁场运动时,所受洛伦兹力的方向可由左手定则判断,但要注意电荷的电性．

2.5 理论探究洛伦兹力的大小

教师启迪学生思考如何计算洛伦兹力的大小,让学生结合已学的知识和方法阐述自己的思路．

问题2:如何选择研究对象?怎样建立物理模型?导体内大量自由电子在两端加电势差后做定向运动,形成电子流．对于这种介质流我们可以在流体流动方向选取一段“圆柱体”,以“圆柱体”内定向运动的电子作为研究对象,如图6所示．

图6

问题3:如何计算“圆柱体”内运动电荷的数目?设单位体积内电子数目为n,“柱体”横切面积为S,电子定向运动的速率为v,在时间t内电子定向运动的长度为L,则L=vt,柱体体积V=LS,柱体内电子数目N=nV=nLS=nvtS.

问题5:如何计算电流的安培力?由安培力公式F=BIL,则每一个电子受到的洛伦兹力

对于电荷量为q的电荷,洛伦兹力大小为f=qvB.

教师通过缓缓诱导,学生思维渐渐洞开,推导出洛伦兹力公式就水到渠成．在该环节,教师先让学生独立思考寻找解决问题的思路、与同伴合作交流分享观点、面向全体发表个人见解,使学生树立良好的科学态度．教师再搭梯引桥,将目标问题层层分解为学生思维能力可及的一个个小问题,循序渐诱学生去思考．通过建立理想物理模型、进行科学的理论推理论证,达到培养学生动脑想问题的习惯,发展学生物理科学思维和科学探究能力．

2.6 科学探究带点粒子在磁场中的运动

图7

教师试探地问学生:带电粒子在磁场中可能做匀速直线运动吗?可能做类平抛运动吗?可能做匀速圆周运动吗?还是一般的曲线运动?带电粒子在磁场中究竟做什么性质的运动．结合实验演示,如图7所示．引导学生从观察到的现象出发,从力与运动关系角度思考并表达自己的观点．粒子具体做何种运动形态,取决于磁场特点(是否为匀强磁场、方向)与带电粒子的速度方向．为何将条形磁铁靠近电子束演示器时,没有观察到电子做圆周运动?是圆周不完整,还是根本就不是圆周运动?让学生去思考．

3 结束语

整个教学设计从猜想、验证电荷是否受到磁场力的作用,到实验探究洛伦兹力的方向．从理论探究洛伦兹力的大小,到理论、实验两方面探究带电粒子在磁场中的运动性质．通过讨论交流、自主探究、合作学习等多种形式,让科学探究始终贯穿整个教学活动．整堂课以传授洛伦兹力这一知识点为载体,以培育学生科学探究能力,发展学生物理核心素养为目的,将传递知识、培养能力、发展素养做到水乳交融,把发展物理学科核心素养真正落地生花,最终实现育人目标．