信息技术在磁场对通电导线作用力研究中的应用

严涵

(南通大学附属中学 江苏 南通 226001)

当前基于“培养核心素养，提升关键能力”的新一轮教学改革正如火如荼的进行着.高中物理所教知识体系基本没有变化，但是如何在不变中，结合当代学生学习特点，实践出一条符合时代要求的高效物理课堂教学法，需要教师不断地摸索与尝试.在信息技术日新月异发展的过程中，如何结合新媒体技术与传统物理课堂教学，让两者有机融合，笔者做了一定的尝试.下面就以人教版选修3-1“磁场”一章中的“磁场对通电导线的作用力”课堂实录为例,谈谈信息技术与物理课堂教学的融合思路.

本节知识需要学生知道什么是安培力.知道左手定则是判断通电导线在磁场中所受安培力方向的基本方法.但由于左手定则的三维空间感要求高，学生不容易掌握，因此采用虚拟现实技术让抽象变成“现实”，有利于学生快速地理解和掌握定则内容.而如何理解安培力大小与电流和磁场的空间关系又是一个难点，这涉及到空间矢量的合成与分解.课堂上采用数字传感系统就可以直观反映安培力大小的变化特点，化繁为简.因此，本节课采用信息技术与课堂教学的融合，可以使学习过程事半功倍.也使学生通过学习认知由个别事物的个性来认识一般事物的共性，了解这是认识事物的一种重要的科学方法.并通过信息技术与物理教学的融合，直观感受自然现象与物理知识之间的联系.

1 引入 定义安培力

小实验引入：(激发学习兴趣)

将磁体、电池、线框如图1组装，观察现象.调换磁体方向，观察现象变化.

图1 实验组装

现象：线框会旋转.调换磁极，旋转方向改变.

(1)磁铁、电池、线框相互组合提供了哪些物理量因素？

(2)线框为什么会从静止到旋转？

(3)调换磁极方向，线圈旋转方向改变说明什么？

答(1)：提供了磁场(B)、电流(I).

答(2)：力改变了线框的运动状态.

答(3)：调换磁极方向，线圈受力方向反向.

由此可以看出当通电导线在磁场中，就有可能受到力的作用.物理学中我们将这种力定义为安培力.

信息技术与物理课堂教学融合1：

多媒体网络视频展示安培力的应用，从情感、价值观上培养学生爱国主义情怀.

驱动小线框的安培力只是它的一种用途，安培力在工程技术和国防建设中有着巨大的作用.下面来看这几段视频：磁悬浮，电磁弹射，电磁炮等.可以看到小小的安培力不但可以驱动列车高速前进，还能成为保家卫国的国之重器，因此我们需要认真研究安培力.

2 理论分析 实验探究安培力大小的一般表达式

复习迁移(知识回顾，引发思考):通电导线在磁场中是否就一定受安培力作用？

当B与I垂直时,F安=BIL；当B与I平行时,F安=0.

说明安培力的大小还跟B与I的方向有关.具体说就是B与I的夹角影响了安培力的大小.那么当B与I的夹角为θ时，直导线受到的安培力多大？

方法1：实验验证法

如图2所示，采用朗威DIS数字传感器：微力传感器，安培力演示仪器.通过转动磁场方向观察安培力大小变化，通过设定安培力与角度函数图像直观感受F安=BILsinθ.

图2 实验验证安培力大小变化

信息技术与物理课堂教学融合2：

利用数字化传感器对安培力(F)随磁场与电流方向角度(θ)变化的关系，进行数据采集.同时通过网络把数据分享给每组同学，让每组同学利用小组计算机进行数据分析.这样既可以通过互联网实现大数据分享，同时也让学生掌握利用信息技术分析数据，进而得出规律结果的现代化探究能力.

方法2：矢量分解法

把磁感应强度B分解为两个分量,如图3所示.

图3 磁感应强度B的分解

一个分量与导线垂直

B1=Bsinθ

另一分量与导线平行

B2=Bcosθ

平行于导线的分量B2不对通电导线产生作用力，通电导线所受作用力仅由B1决定.

即

F安=B1IL

将

B1=Bsinθ

代入得

F安=BILsinθ

总结：当B与I垂直时，θ为90°，F安=BIL.

当B与I平行时，θ为0，F=0.这两种情况是F安=BILsinθ的特殊情况.

任意情况下通电直导线在磁场受到的安培力表达式为

F安=BILsinθ

(充分理解从特殊到一般，从一般到特殊的科学探究思维)

通过DIS演示实验与数字化探究安培力的分组实验，我们看到测量的安培力值有正、有负，说明安培力的方向会发生变化，那么安培力的方向有什么特点呢？

3 实验探究安培力的方向

回忆定义电场强度方向是正电荷所受力的方向，那么能否认为磁感应强度B的方向为通电导体所受的安培力方向呢？(类比知道物理量之间的不同点，区分易混淆内容)

分组实验探究安培力方向的特点.

信息技术与物理课堂教学融合3：

基于移动设备的增强现实技术(AR)的发展，可以直接在实验装置图片上进行虚拟物理量的叠加，从而加深学生对实验现象的内涵理解，如图4所示.

图4 虚拟物理量的叠加

画出实验过程的侧视图，如图5所示.

通过实验知道当磁场方向反向时安培力方向反向，同时安培力与磁场、电流方向相互垂直.

图5 实验过程侧视图

思考1：电流在磁场中受力，是磁场对电流的作用吗？

答：电流的磁效应，说明电流周围存在磁场，而磁场与磁场的作用才是电流在磁场中受到安培力的根本.理解了这个问题，我们只要探究能产生磁场的物体，它们相互间就可能产生力的作用，只不过磁体与磁体之间的磁场力遵循同名相斥，异名相吸.而电流与磁场，电流与电流之间的安培力则遵循左手定则.

探究：同向电流与反向电流的受力特点.(看实验视频，视频截图如图6所示)

图6 平行通电直导线间的相互作用

信息技术与物理课堂教学融合4：

部分物理实验需要的条件比较高，比如同向、异向电流相互作用，导线需要通过大电流，水银挥发有毒，实验比较危险.

因此通过实验视频教学，解决了特殊实验现象的展示问题，让学生能直观而安全地观察实验现象，分析实验理论，如图7所示.

图7 通-电导线在磁场中的受力分析

设计反思：

课本本节安排，是先讨论安培力的方向，即左手定则.后利用矢量分解讨论任意角度安培力大小的表达式.

但是现实学习过程中，用纯理论的矢量分解对磁感应强度进行分析，加大了学生理解的难度.一方面磁感应强度B的理解就比较抽象，另一方面涉及到空间矢量分解也非常难，因此,如何展现安培力随角度变化的关系，成为了本节课需要突破的一个难点.

所以在本课中，利用数字化实验装置，通过计算机的快速化采点，并用数据表格自动生成拟合图像，就很直观地展现了安培力随角度正弦变化的关系.信息技术与物理课堂教学的融合，根本上还是要尊重课程本身的特点，物理是一门以实验探究自然规律的学科，如果通过信息技术，互联网+，大数据共享，增强现实技术等加快对实验现象与数据的分析，才能让物理教学如虎添翼.