基于演示实验的物理课堂教学设计——以“通电导线在磁场中受到的力”一课为例

浙江省杭州市余杭中学（311121）夏建平

一、教学思路

“通电导线在磁场中受到的力”一课的教学充分利用教材中的两个演示实验，引导学生认识安培力的方向，并将安培力大小的探究设计为演示实验进行验证，从而让学生更直观地认识和理解安培力大小的关系式。整节课以学生为主体，以体验为主线，以引导为辅助，充分展现物理课堂的趣味性，让学生在学习物理知识的同时，获得探求知识的方法和途径，体验学习的快乐和成就感，从而激发学生探究学习的兴趣，提高学生的物理学科核心素养。

二、教学目标

1.知识与技能目标：能够理解当安培力、电流、磁场的方向都两两垂直时，安培力的方向用左手定则来判断。会应用安培力公式F=BIL解决相关问题；知道当I与B平行时，通电直导线受到的安培力等于零，是最小值；当I与B垂直时，通电直导线受到的安培力等于BIL，是最大值。能够理解磁电式电流表的内部由线圈（带指针）和磁极组成以及通电后线圈受到安培力会发生偏转。

2.过程与方法目标：通过“课堂演示—分析归纳—总结应用”这条主线，学生能够理解安培力的方向以及安培力大小的关系式，培养学生的想象能力。

3.情感态度与价值观目标：能通过分析归纳个别事物的个性，进而认识一般事物的共性，学会认识事物的科学方法。通过对磁电式电流表内部结构的观察，能用所学知识解释其工作原理，进一步认识到学习物理知识是非常有用的。

三、教学仪器

磁电式电流表，强磁铁，自制铜棒，自制导轨，学生电源，安培力方向演示仪，力传感器，电流传感器，数据采集器，滑动变阻器，导线（若干），电脑，多媒体辅助教学设备。

四、教学设计

（一）课堂导入

用事先准备好的磁电式电流表做演示实验：当磁电式电流表通有电流时指针发生相应的偏转；互换电池正负极之后指针往相反方向偏转；调节滑动变阻器后指针偏转角增大或减小。待学生观察这些现象后，教师提出问题：为什么会出现这样的现象？大家想不想知道磁电式电流表的结构？学生大声喊“想”，兴趣和激情被完全激发了出来。对高中生而言，亲自动手进行实验探索是最有趣的事情。课堂上，教师可以让两名学生上讲台动手拆磁电式电流表，并让其他学生近距离观察。通过观察磁电式电流表的内部结构，学生初步发现了问题所在：磁电式电流表的内部结构中有两个重要的部件，一是线圈，二是磁铁。当线圈中通有电流时，线圈就会在磁场中受到力的作用，而改变电流的方向和大小，线圈的受力方向和大小就会发生变化，进而改变指针的偏转方向和角度，从而切入本节课的重点内容——安培力。

通过课堂导入切入主题后，学生了解到这节课的主要内容是研究一个力，而力是一个矢量，要弄清楚一个矢量，就要明确其大小和方向。这时有很多学生就会明白这节课的主题是研究安培力的大小和方向，探讨影响安培力大小和方向的相关因素，如此便确定了这节课的重难点问题。

（二）探究安培力的方向

1.猜想：结合磁电式电流表正反接时指针会有不同的偏转方向的现象，让学生猜想安培力的方向可能跟哪些因素有关。

2.自制实验装置：安培力方向演示仪（如图1）。

图1

3.实验过程设计：用自制的实验器材——安培力方向演示仪研究安培力的方向。实验中研究的是安培力方向、电流方向、磁场方向三者之间的关系，所以采用控制变量法，并同时利用实验、表格（如表1）、图像（如图2）共同展示实验结果和相关图像。

表1 实验研究

图2

4.实验规律总结：

由实验现象结合表格与图像，引导学生了解电流I、磁感应强度B和安培力F的方向关系满足一定的规律，并带领学生用左手做手掌操，在此基础上总结出左手定则：

①伸开左手使拇指和其余四指垂直，并且和手掌在一个水平面内；

②让磁感线通过掌心；

③四指指向电流方向；

④拇指则为力的方向。

5.回归教材，巧用实验学以致用：利用教材上的演示实验（高中物理选修3-1 P92 图3.4-3）研究两根平行通电导线之间相互作用的方向。首先，让学生用左手定则分析两根通电直导线当通有相同方向的电流时会发生怎样的相互作用。在教师的引导下，很多学生得出“当通有相同方向的电流时两根通电直导线相互吸引”的结论。接着，用自制的教具进行验证，具体操作是平行摆放两根导体棒，使其并联得以通有同方向的电流。但实验的结果却是两根导体棒纹丝不动，检查线路没发现有什么问题。这是什么原因呢？这引发了学生的思考与讨论。有的学生说摩擦力太大了，有的学生认为导体棒不够平行。由于时间原因，这一问题在课堂上暂不揭晓答案，留下悬念。最后，用一套经过改进的实验器材（如图3）进行实验。结果发现两根通有相同方向电流的导体棒产生了明显的相互吸引的现象。经过对比实验，学生明白了设计一个物理实验要考虑很多因素，很多实验结论都是物理学家经过不懈的努力，一次次地进行实验器材改进，对实验的方案进行一次次修改而得出的。教师由此教导学生：大家在生活和学习上也应如此。这次演示实验是从物理教学到为人处世的教育，也是对学生情感态度与价值观的升华。

图3

（三）用现代科技实验定量测量安培力的大小

对于安培力的大小，教材仅进行了这样的描述：垂直于磁场放置一段长为L的导线，当通过的电流为I时，它所受的安培力为F=ILB；当磁感应强度B的方向与导线的方向平行时，导线受力为0。这样的表述说服力不够，如果能够创造条件，对安培力的大小进行定量测量，会有更好的效果。要做这样的实验，传统教具是无法实现的，我校的电子物理实验室配备了各类传感器。笔者在定量测量安培力的大小时使用了传感器。

首先，简单地给学生介绍所用到的传感器（如图4）。图4中分别是电流传感器、力传感器和数据采集器。

图4

接着，给学生介绍传感器使用的电路图（如图5）。

图5

最后，利用传感器进行实验。调节线圈在磁场中的长度，第一次的长度是第二次的2 倍，利用数据采集器采集数据得到如图6所示的结果。

图6

对F=BIL进行变形，可得F=BLI，根据控制变量法，先控制长度L和磁感应强度B不变，从图6中可以很明显地得到力F和电流I成正比；在图6 中找电流相同的点，发现电流I相同时，长边受到的力和短边受到的力满足2∶1 关系，因为长边和短边的长度之比也为2∶1，所以可以得到力F和长度L之间也是明显的正比关系。从实验到图像，都非常直观地体现了安培力F与电流I、长度L成正比的关系，当然图像的斜率也可以说明问题。

第二个传感器实验是验证安培力F与磁感应强度B与电流I的夹角θ的关系，如图7所示。

图7

从图7 中可以非常直观地得到安培力F与磁感应强度B与电流I的夹角θ的关系：当夹角θ为90°时，安培力最大；当夹角θ为0°时，安培力为零。

（四）首尾呼应

课始，教师通过展示磁电式电流表的内部结构引导学生观察思考并导入课堂。虽然学生对磁电式电流表的内部结构和原理已有所了解，但还不是很明晰。对此，在课尾，教师非常有必要对磁电式电流表的工作原理进行详细介绍（这里不再展开）。这样的教学安排，使得学生的学习更有深度，并使得课堂有始有终，首尾呼应。

五、教学反思

本节课取得了较好的教学效果，学生在学习过程中能主动参与，积极思考，对安培力的方向和大小等的理解较为透彻，并能熟练地应用左手定则判断安培力的方向，以及应用关系式F=BIL计算安培力的大小。以下三个方面需要引起注意：

1.教师应加强实验教学，将实验与教学紧密结合，让学生作为知识探究的主体，去观察发现、逻辑分析并解决问题。本节课采用了教师演示实验的方式去引导学生探究安培力的方向和大小，有效培养了学生的科学思维和科学探究能力。

2.除了要充分理解教材，熟悉教材知识，教师还应深入研究学生的认知特点和最近发展区，例如哪些知识是学生的疑点，哪些知识是学生的盲点，等等。在教学中，教师要借助演示实验，从感官到思维真正地把学生带进科学探究的殿堂。

3.安培力的判断方法——左手定则，涉及力F、电流I、磁感应强度B三个物理量的方向，而学生的空间想象力不够强，因此这是学生的一个学习难点。对此，教师可引导学生将空间的三维图形转化为平面的二维图形，如侧视图、俯视图和剖面图等，从而使学生有效掌握安培力的判定方法。