创新实验装置 培养探究能力——定量探究影响通电导线受力的教学改革

范旭

遵义市第二中学，贵州 遵义 563000

1 引言

2018年教育部颁布了《普通高中物理课程标准 （2017 年版）》[1]（以下简称 《新课标》），《新课标》明确提出：物理学是自然科学领域的一门基础课程，旨在落实党的十八大提出的“立德树人”根本任务，进一步提升学生的物理核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展；物理实验是观察、操作和思维互为影响的活动过程,尤其创新性的实验活动不仅是获得知识、方法的手段,也是学生实验探究能力的体现,因而实验教学是培养学生物理学科核心素养的有效途径。

人教版高中物理选修3-1[2]第三章《磁场》的“磁感应强度”一节课中，通过演示实验探究通电导线所受的安培力的影响因素（图1），以此来寻找描述磁场强弱的物理量——磁感应强度。该实验中，采用控制变量法定性分析通电导线受力F与导线长度L、导线中的电流I的关系。但由于蹄形磁铁周围磁感应强度较弱，并且只有一条通电导线，实验时通电导线的摆角不明显，实验效果不理想，不利于学生对磁感应强度概念的构建和理解。

图1 在匀强磁场中探究影响通电导线受力的因素

基于以上分析，笔者对该实验进行改进，利用现代传感器测量技术，将实验由定性观测改为定量研究，使实验可控性、可视性和科学性都得到了很大的提高，有助于学生对磁感应强度这一物理观念的构建和理解，培养学生科学的物理思维，也提升学生定量分析问题的能力。

2 实验创新

（1）实验器材

铁架台（1 个）、自制线圈（1 个）、强磁铁（1～2个）、电源（1 个）、开关（1 个）、滑动变阻器（1个）、电流传感器（1 个）、静力传感器（1 个）、数据采集器（1 个）、电脑（1 台）、数据传输线（3 条）、导线若干。

（2）实验原理

利用控制变量法研究通电导线在磁场中受力的因素（图2）：

图2 实验原理示意图

①利用静力传感器测出通电导线的受力F；②利用滑动变阻器控制导线中的电流I；③利用线圈匝数n控制导线长度L；④利用电脑处理数据。

3 教学设计

教学片断——探究影响通电导线受力的因素

【教师活动1】（提出问题）刚才我们定性分析了磁场对放入其中的导线有力的作用，请大家猜想这个力的大小与哪些因素有关呢？

【学生活动】（猜想与假设）思考并回答，磁场、电流大小、导线长度……

设计意图通过引导，让学生思考通电导线受力的影响因素，并让学生大胆猜测和假设，为后面科学探究通电导线受力的影响因素做准备。

【教师活动2】（理论推导）回答得很好，磁场强度、电流大小、导线长度都可能影响通电导线的受力，那当我们遇到多因素（多变量）的问题，该怎么办呢？

【学生活动】思考并回答，用控制变量法来研究。

【教师活动】非常不错，物理学中对于多因素（多变量）的问题，常常采用控制变量法来研究。我们先控制磁场不变，研究导线长度L和导线中的电流大小I对通电导线受力F的影响。

设计意图让学生体会控制变量法在实验探究中的重要作用。

【教师活动3】 （理论推导）首先控制磁场和通电电流I不变，研究导线的受力F与导线长度L的关系。假设此时磁场对长度为L的通电导线作用力为F，如果相同情况下，长度变为2L呢？此时的力是多少？请思考回答。

【学生活动】思考交流并回答，力为2F。因为长度为2L时，我们可以等效成2段长度为L的导线串联，每段长度为L的导线受力为F，合力应为2F。

【教师活动】对，长度L加倍，力F也加倍，说明 B、I一定时，F∝L。

【教师活动】同理，若控制磁场和导线长度L不变，研究通电导线受力F与通电电流I的关系。假设电流为I的通电导线受力为F，如果相同情况下，通电电流变为2I时，导线受力为多少？和上面的结论相同吗？请思考回答。

【学生活动】思考交流并回答，通电导线受力也为2F。可以将通电导线的电流2I等效成2条电流为I的相同导线并联，每条导线受力为F，两条导线受力就是2F。

【教师活动】非常好，电流I加倍，力F也加倍，说明 B、L 一定时，F∝I。

设计意图让学生理论推导F与L、I的关系，培养学生逻辑推理的能力，也为后面的实验做准备。

课件如图3所示。

图3 课件展示

【教师活动4】（实验探究）同学们，我们逻辑推理出，B一定时F∝I，F∝L。是不是这样的呢？下面我们用实验来验证：

（1）介绍实验仪器及原理、连接实验电路，并调试好电脑采集数据（首次使用电脑要先安装传感器驱动程序）。

（2）初始调零：闭合开关，观察传感器是否采集到数据，然后断开开关并调零读数。

（3）利用控制变量法探究：

导线受力F和导线中的电流I、导线长度L（匝数n）的关系：

①电流I一定，探究F与L（n）的关系（表1、图 4）。

图4 F与L的关系图（I一定）

表1 I=0.2 A，分析F与L的关系

②长度L（n）一定，探究F与I的关系（表2、图 5）。

表2 L=150匝，分析F与I的关系

图5 F与I的关系图（L一定）

（4）归纳实验，得出结论

k表征的是与F、I和L无关的量，这个量就是磁场的强弱（即磁感应强度的大小）。

4 总结反思

本实验的创新之处有以下几点：（1）强磁铁（钕铁硼磁铁）替代蹄形磁铁；（2）多匝线圈替代直导线；（3）直接测量力F替代导线偏转反映F的大小；（4）增加DIS数字化探究仪器（力学传感器、电流传感器）和多媒体结合辅助完成实验。

改进后的教学效果非常好：（1）实验更具有可控性，可定量测出导线中的电流I、导线的受力F和长度 L（匝数 n）；（2）实验更具有可视性，由电脑反映相关读数，并可投影到大屏幕上，让更多学生参与到实验中来；（3）实验更具有示范性，可由教师演示实验改为学生实验，让学生亲自动手，体验实验的乐趣；（4）实验更具有科学性，改教材上“分析了很多实验事实后人们认识到”为定量研究直观得出结论（物理逻辑更强）；（5）实验更具有创新性，让传统教学与当代技术相结合，让实验现象、数据处理更便捷；（6）实验更具有启发性，物理源自生活，该实验能更好地激发学生学习的兴趣，特别是DIS数字化工具的使用，为学生今后的学习、生活打下基础。