基于物理核心素养导向的探究安培力规律教学

陈家礼

物理教学的创造性主要体现在：物理教师在教学过程中必须发挥自己的主观能动性，通过对物理课程标准、培养目标以及教材的理解，针对教育对象的不同特点和普遍规律，选择最有效的方法和途径来实现教育目的。

探究安培力的规律是高二物理选修3-1（粤教版）实验探究课第三章第三节“探究安培力”的内容，教师可以通过创设有效的实验情境，利用实验的手段将磁场对电流的作用力（安培力）的作用特征、方向和大小淋漓尽致地展现在课堂上，使学生对安培力的认识有真切感受，对安培力在实际问题中的应用有无尽的遐想，对学习安培力的规律有着迫切的要求。

在知识传授上，如果按照教材上用简单的实验方法介绍安培力的特征，通过奥斯特实验的展示，说明电流周围存在磁场，以及利用放在磁场中的通电导线因受磁场力作用发生偏转的现象，说明电流在磁场中受磁场力作用等，感觉有点重复初中所学知识，至少对学生没有太大的吸引力，更谈不上去探究。因此，为了更好地激发学生强烈的求知欲望，探究安培力规律的教学应着重体现在“探究”上，要真正体现物理核心素养的培养。

一、创设实验条件，展示安培力的魅力

1. 安培力的由来

如图1所示，在电路没有接通的情况下，小磁针指向南北极（按地磁的指向）;当电路中开关K接通时，小磁针不再指向南北极，而是发生了偏转。这一方面说明电流的周围存在磁场，另一方面也说明通电导线对小磁针有作用力，根据牛顿第三定律，小磁针对通电导线也有作用力，这就是安培力。可以利用图3所示装置体验安培力的存在，接通电源后，导轨上的铜杆ab会在安培力的作用下向左移动。

2. 安培力的魅力

安培发现了安培力，对整个人类社会的发展和贡献是划时代的，人们利用安培力和其他物理原理发明了非常重要的动力源——电动机（如图4所示），电动机的发明使人类社会发生了第二次工业革命，也使人类的生活进入电气时代。由于安培的杰出贡献，后人将磁场对通电导线的作用力叫安培力。

二、排除实验现象的干扰，合理确定安培力的方向

1. 根据实验结果，大致确定安培力方向

由图3的实验结果可以判断，安培力的方向与磁场方向、电流方向有关。接通电路后，铜杆ab能从静止开始向左移动，一定受到安培力的作用，才会产生这种效果，由此基本确定铜杆ab所受安培力的方向向左，如图5所示。

在以上实验过程中出现两个问题，如图6、如图7中，由于导轨给铜杆ab的支持力可以调节，安培力的方向即使不是刚好水平向左，只要有向左的分力，接通电路后，铜杆ab也能从静止开始向左移动。

2. 改进实验装置，准确判断安培力方向

为了说明以上装置中安培力的准确方向，将实验装置改为图8所示的情况。用多匝线圈替代铜杆，将线圈用弹簧悬挂起来，接通电路后，发现线圈没有左右摆动，而是向下运动，说明所受安培力的方向向下，受力方向简图如图9所示。通过改变磁场方向或电流方向，观察线圈的摆动得到图10、图11和图12等情况下安培力的方向。

由以上实验结果可以确定，安培力方向的判断方法（左手定则）：磁感线垂直穿过手心，让四指指向电流方向，則大拇指的指向为安培力的方向。

三、更换实验装置，定量归纳安培力的大小

1. 安培力的大小与其他因素的关系

从以上实验可以看到，安培力的大小与磁场的强弱、电流大小和通电导线在磁场中的长度有关。为了更好地利用以上实验装置探究安培力大小遵循的规律，可以采用控制变量法总结有关的实验结果，探究安培力的大小与其他因素的关系。

2. 长度一定时，安培力与电流大小的关系

如图13所示，将图8的实验装置中弹簧更换为力传感器，产生磁场的磁铁用几个相同的U型磁铁拼在一起形成一个较大空间的匀强磁场区域，在电路中连接一个电流传感器，用于电路中电流大小的测定。

先将两个传感器的读数清零，接通电路后，通过改变滑动变阻器，随机测量几组电流和对应的安培力的大小，记录的表格如表1所示。

利用Excel软件中的图表功能得到安培力F与电流I之间的关系如图14所示，虽然实验有误差（主要来源于线圈的抖动和传感器的精度有限），但可以看到，F∝I，对这种探究学生有很深的感受。

3. 电流一定时，安培力与有效长度的关系

如图15所示，将图13实验装置中线圈更换为有效长度为原来2倍的相同线圈，其他条件不变。

先将两个传感器的读数清零，接通电路后，通过改变滑动变阻器，测量电流分别为0.36A和0.66A对应的安培力大小，记录的表格如表2、表3所示。

从以上两组测量数据可以看出，尽管实验存在误差，但仍可以得到F∝L。这样基本可以确定安培力的大小与电流大小及通电导线在磁场中的有效长度成正比，即F∝IL。

4. 归纳整合，获取安培力大小的规律

上述探究实验的结果说明F∝IL，事实上，安培力的大小还与磁场的强弱有关，可以定义描述磁场强弱的物理量磁感应强度B，即B=F/IL。由该定义式可以得到F=BIL，可知通电导线在磁场中所受的安培力大小与磁感应强度大小、电流大小和导体在磁场中的有效长度成正比。

至此，探究安培力规律的教学活动结束，通过实验探究，学生不仅深刻体会到安培力的特征，体验利用实验总结规律的成就感，也提升了物理探究素养。