核心素养下探究安培力的教学设计

麦锐坚

【摘要】《普通高中物理课程标准2017版）》明确提出物理教学要重视培养学生物理核心素养，落实立德树人的根本任务。笔者以探究安培力为例，在物理核心素养的视角下，从构建物理观念，渗透科学思维，体验科学探究，培养科学态度与责任四方面进行教学设计。

【关键词】核心素养;教学设计;安培力

一、教材分析

本节课选自粤教版高中物理3-1第三章第三节。前两节的教学内容学生建立了磁体与电流之间通过磁场相互作用的观念，后两节内容是安培力的应用和研究洛伦兹力，可见探究安培力的教学内容在教材中具有承上启下的作用。

教材先通过教师演示实验，学生观察通电线框在磁场中发生偏移，总结左手定则。教材直接指出磁场和电流垂直时安培力最大，平行时安培力为零。接着通过实验定性探究安培力大小还受电流大小和导体棒长度影响。最后通过比值定义法引出磁感应强度的概念。有了磁感应强度物理概念的建立，学生就能够较好掌握安培力的计算表达式。

可见本节课的教材内容编排遵从学生的认知规律，由浅入深。先安排安培力的方向教学，然后基于最简单的磁场和电流相互垂直的情况，通过定性研究影响安培力大小的因素，最后引出最抽象的物理概念“磁感应强度”。

二、学情分析

学生在初中已经认识到磁场对通电直导线有力的作用，这个力的方向由磁场方向和电流方向决定，只是不懂得他们三者之间的关系。高中学生重点要学会使用“左手定则”判断安培力的方向。

影响安培力大小的因素较多，学生难以自行探究得出结论。简单起见，只研究匀强磁场和电流方向垂直的情况。在前面电场的学习中，同学们抽象出“点电荷”，引进电场去试探电场的强弱，使用比值定义法来描述电场的强弱。在磁场的研究中，难度较大的是要学生抽象出“电流元”这概念。同样的也是根据比值定义法引入磁感应强度的概念。当学生掌握了磁感应强度所描述的物理意义，学生就学会使用安培力的计算式F=BIL。之后还可以进一步拓展，在磁场和电流不垂直的情况下计算安培力大小。

三、教学目标

（一）物理观念

通过抽象出“电流元”这一对象作为研究磁场的“侦察兵”，理解磁感应强度这物理概念具备的物理意义。能通过左手定则来判断不同视角下的通电导线的安培力方向，并会定量计算安培力的大小。

（二）科学思维

经历类比的科学方法， 在磁场中放入“电流元”与在电场中放入“试探电荷”进行类比，学生更容易建立新的物理概念，形成科学思维习惯。通过左手定则的学习和应用，提升形象思维和空间想象能力。

（三）科学探究

通过实验探究决定安培力大小的因素，并交流、讨论、分析得出磁感应强度的定义，提升科学探究能力。

（四）科学态度与责任

通过简易电动机的课前展示，将知识应用到实际上，激发学生的学习兴趣。通過探究安培力大小让学生体会物理学的研究方法，领略自然科学的无穷魅力，同时培养了学生的探究能力和探究精神。

四、教学重、难点分析：左手定则的运用、磁感应强度的定义及理解

五、教学准备材料

多媒体课件、自制简易电动机、金属棒、金属导轨、磁铁若干、线圈、电子天枰、学生电源、滑动变阻器，铁架台，泡沫

六、教学过程

（一）引入课堂：展示简易电动机

激发学生学习兴趣，学生观察回答，基本原理：磁场对电流有力的作用，引出安培力的概念。

（二）探究安培力方向

1.老师演示实验：金属导轨上放置金属杆，导轨先后接入正负极，分别放入磁铁的N极和S极向下，观察金属杆的运动方向。不改变磁场方向，改变电流方向，再次观察金属杆的运动方向。

2.得出结论：安培力的方向与两个因素有关：（1）磁场方向;（2）电流方向。

3.学习使用左手定则判断安培力方向：

（三）探究安培力的大小

猜想：安培力的大小跟什么因素有关？

引导学生回答，安培力的大小可能与电流的强弱有关系，与电流在磁场中的长度有关系，还可能跟磁场的强弱有关系。因为影响的因素多，我们需要使用控制变量法进行研究。

实验装备如图所示：

将多块规格相同的蹄形磁铁并排粘合一起，利用铁架台将它悬挂起来。这样可以为矩形线框的上边提供匀强磁场，利用泡沫把矩形线框稳定好后放置在电子天平上。将电源、电流表、滑动变阻器、开关，以及线框构成闭合回路。稳定实验装备后，将电子天平示数归零。闭合开关，电子称示数将会随着电流的增强而增大，通过受力分析可以知道线框所受的安培力等于电子称的示数乘上g。

实验一：控制磁场强弱一定、电流长度一定，探究安培力大小与电流的强弱关系。

实验二：控制磁场和电流强弱一定，测量线框长边和短边，分别让长边和短边在磁场的作用下，探究安培力大小与导线长度的关系。

引导学生总结实验结论：在磁场一定的情况下，安培力与电流大小成正比，也跟导线的长度成正比。即安培力的大小与电流强弱和导线长度的乘积成正比。

（四）磁感应强度的理解

引导学生思考：下图图像中的斜率受哪个因素影响？

同一试探电荷，受到电场力越大反映出该位置的电场强度就越强。试探电荷作为“侦察兵”完成了侦查电场强弱的任务，利用F与q的比值来描述电场的强弱情况。

磁场同样具有强弱，我们也可以尝试引入一个合格的“侦察兵”，它必须是足够小的，能反映磁场中某个位置的性质，也能够感受到磁场对它有力的作用。引导学生抽象出“电流元”的概念。

若用同一个“电流元”（I与L的乘积保持不变），放在磁场中不同的位置，该“电流元”受到安培力一般不同，安培力越大可以认为该位置的磁场就会越强。在磁场中同一位置放入不同的“电流元”，安培力也会不同。因此我们不能够简单利用安培力大小来表示磁场的强弱，我们应该利用F/IL这比值来描述磁场的强弱。

（五）安培力表达式 F=BIL 的适用条件

思考：如图所示，安培力方向如何？

学生尝试左手定则并不适用。

前人通过大量的实验检验出了电流与磁场平行时安培力为零，当电流与磁场垂直时安培力是最大的，最大的安培力可以利用F=BIL计算。

（六）堂上训练

七、小结与反思

本节课先通过展示简易电动机，学生带着疑问进入课堂，构建起安培力的物理观念，进而激发学生科学探究的热情。

学生在初中已经知道磁场对电流的作用力方向有哪些影响因素，在探究安培力方向上不作太多时间投入，而是留有足够时间让学生针对平面和立体图使用左手定则判断安培力的方向，训练了学生的空间思维能力，让学生体会到了要成为科学家应该要具备总结归纳的科学素养。

为了学生能直观认识到安培力的影响因素，巧妙利用电子天平来定量反映安培力的大小。因为影响安培力的因素较多，本节课只在磁场和电流方向垂直的前提下展开研究，避开讨论成夹角的情况。最后才通过磁场和电流平行时安培力等于零，来加以强调安培力F=BIL是磁场和电流方向垂直时候才适用。在研究磁场强弱时，与电场展开类比，引入了“电流元”的物理观念。这些设计的背后都渗透着创新思维、抽象思维、类比思维。

在例题的选取上，加深学生对磁感应强度物理意义的理解，从情感上让学生认识到地磁场对电流产生的安培力非常小，一般情况下可以不做考虑。通过介绍“电磁炮”设计原理，让学生明白学习科学知识最终还是要回归到自然和社会的应用中。