基于核心素养的高中物理教学探讨——以“探究安培力”教学为例

邹 萍 张轶炳

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》对三维目标进行了整合,凝练为“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等四个方面,对中学物理教学提出了更高要求。笔者以“探究安培力”的教学为例,基于物理学科核心素养的培养目标，展示教学实践。

2 分析学情，确定学习目标

本节教学是在学习磁场的基础上,以演示实验为突破口,让学生经历科学探究过程,学习科学探究方法,落实核心素养的培养目标。

2.1 学情分析

学生在初中时就已对电磁现象有了初步的认识。掌握了控制变量法、类比法、等效替代法等,具备一定的观察实验、归纳分析、科学推理能力，学生具有较强的学习动机。

2.2 学习目标

表1

针对本节课的教学内容,从物理观念、科学思维、科学探究与科学态度与责任4个方面提出学习目标(表1)。

3 基于核心素养的“探究安培力”教学过程

3.1 新课导入

通过电风扇等生活常见的应用实例,提出问题:电动机是如何工作的?

教师展示自制简易电动机模型(图1),带领学生回顾初中物理中电动机的学习内容。

图1

3.2 实验探究

教师引导学生探究通电导线在磁场中受力的方向。

3.2.1 提出问题

教师通过介绍物理学家安培,使学生了解物理学史的同时引入物理概念——安培力,即通电导线在磁场中受到的力,可从力的三要素(方向、大小、作用点)入手,进行探究。

教师提出问题：安培力的大小与哪些因素有关?

3.2.2 设计与进行实验

教师提供图2所示的实验器材,学生自主设计实验方案。

图2

3.3 安培力方向的确定

为直观呈现安培力、电流、磁场三者方向的空间关系,教师利用三种不同颜色的箭头分别代表三者方向,将每组实验结果呈现出来,引导学生寻找其中规律。

如图3所示,将磁场方向、电流方向、导体棒运动方向分别用带箭头的直线表示,“×”表示方向垂直黑板平面朝里、“·”表示方向垂直黑板平面朝外,学生通过三维示意图寻找规律。

图3

图4

为了方便判断安培力的方向,教师指导学生利用左手大拇指、四指、手掌心来判断安培力的方向(图4)，进而总结出左手定则。

教师进一步提出问题:如知道了安培力、电流、磁场中任意两者方向,第三者方向是否可以判定?给出几种情境,请同学们尝试判断图5中磁场和电流方向。学生利用左手定则判断出相应的磁场和电流方向,再通过实验进行验证。

图5

3.4 左手定则的应用

教师提出问题:由于图2所示实验装置中导轨长度有限,不能持续地将电能转换为机械能,而电动机却能持续转动，为什么?

学生讨论、交流,教师补充讲述:如图6所示,通电线框在磁场中会受到安培力作用,由于流过左右两边金属棒的电流方向不同,根据左手定则判断，它们所受安培力的方向不同,在合力矩的作用下,线框会发生转动,为了让线框持续转动,左侧金属棒必须始终受向上的安培力作用,右侧金属棒受向下的安培力作用;为了达到这样的目的,在线框上安装了换向器,即两个半圆形铜环,让与电源正负极相连的电刷与半圆形铜环接触来给线框供电,与电源正极相连的电刷始终与左侧铜环接触,与电源负极相连的电刷始终与右侧铜环接触,这样就能保证线框始终沿一个方向转动,这便是我们课堂引入时提到的电动机的工作原理。将本节内容与电动机原理相联系,培养学生应用物理原理和科学方法解决生活实际问题的能力。

图6

3.5 左手定则的应用拓展

在现实生活中,电动机的应用非常广泛,但磁场都是由磁铁提供的吗?其实,更多情况下是电流提供磁场,教师提出问题:两根平行通电直导线之间的相互作用力又是怎样的?

教师引导学生分析，把其中一根通电导线视为磁场源,根据之前学过的安培定则即右手螺旋定则,得出左边通电导线的磁场如图7所示,通以反向电流的平行导线所受安培力的方向向右,同理可得,左边通电直导线在右边通电直导线产生的磁场中受到向左的安培力,电流方向相反的两条通电导线之间的相互作用力方向相反，两根导线相互排斥;当两根导线通以同向电流时则是相互吸引,再用实验予以验证(图8)。

图7

图8

3.6 课后小制作

教师提供电池、柱形磁铁、线圈等材料，请学生课后利用所学知识，自制电动机,写出设计方案,并分析其原理，实现课内课外探究相结合,达成物理学科核心素养的培养目标。

4 结语

高中物理教材按照学科逻辑进行编排,知识点抽象且概括性强,笔者的教学设计立足于教材,通过教师的引导，学生自主探究，在整个教学过程中以情境引问题,以问题导探究,以探究促真知。学生通过实验探究，总结出确定安培力方向的左手定则,学以致用,提升了学生的物理学科核心素养。