磁场前四节教学秩序的调整及教学建议_磁感应强度论文

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      一、教材介绍

      人教版高中《物理·选修3-1》第三章“磁场”前四节的内容是：磁现象和磁场；磁感应强度；几种常见的磁场；通电导线在磁场中受到的力。教材编写的内容线索，如图1。

      

      这样编写的原因（选自选修3-1教师教学用书）：“以往教科书多把磁现象和几种典型电流磁场的磁感线分布设为一节。在本书第三章磁场里把这些内容分为两节（第一节、第三节），而且还在这两节之间安排一节磁感应强度。这是出于什么考虑呢？因为这部分内容不仅信息量较多，而且蕴含有丰富的三维目标，特别是“情感、态度与价值观”方面的教育素材。在课文中，我们用较大的篇幅介绍了电流磁效应的发现历史。这是因为，电流磁效应的发现是一个划时代的发现。它不是一个一般的科技进步，而是一次科学革命。奥斯特的发现改变了人们的自然观、世界观和思维方式（从相互联系中考察事物）。同时，这段科学史也是科学思维中传统与创新交锋和突破的生动事例，它同时还展示了创新思维的重要和时代局限性对创新的羁绊。因此，是科学史上不可多得的优秀素材，在课文中应有恰当的表述。

      另外，这样安排也是为了让教科书编排上有一些张驰相间的节奏感。第一节、第三节的内容都比较容易，定性的阐释比较多，也不涉及复杂的定量计算。将其连贯安排也不是不可以，但显得太松，而后面几节都是传统上的核心内容，难度较大，连续安排又会显得太急促。现在这样安排，似乎更合理一些，而且从系统性上也说得通，先介绍了磁场的一般现象，然后分别介绍描述磁场的两种方式（磁感应强度和磁感线），再继续研究磁场对电流和运动电荷的作用力及其广泛的应用。应该说，逻辑线索还是比较清晰的。

      归纳起来教材这样编排的原因：

      （1）电流磁效应的发现是一个划时代的发现，在教学中应予以应有的重视。

      （2）磁现象、磁场和几种常见的磁场比较容易，另外两节比较难，教材这样编排有张驰相间的节奏感。

      （3）理论上逻辑线索比较清晰。

      二、教学顺序的调整建议

      1.教学顺序调整

      第一节至第四节的顺序分别为，“一、磁现象和磁场；二、几种常见的磁场（地磁场）；三、通电导线在磁场中受到的力；四、磁感应强度磁通量”。

      将教材上的第三节调整到第二节，第二节调到第四节，第四节调到第三节，并将原第一节地磁场的知识放到几种常见的磁场中，将第三节磁通量与磁感应强度放在一节。

      2.顺序调整原因

      （1）把教材上的第三节调整到第二节

      虽然学生在初中已较深入地学习了磁场的基本性质及磁场的定性描述，但遗忘很严重。对于直导线和电流环磁场方向的判断方法掌握得不牢固，对磁感线分布特点的认识也不够精准，同时对于磁体内部磁场的认识也不够。此外，学生的空间感知能力比较弱，想象不出磁场的空间分布，也不容易画出平面图。所以这部分内容并不简单。

      教材中匀强磁场的概念出现在第三节，但是在第二节“探究影响通电导线受力因素”的实验中却出现了匀强磁场的词，而且实际上也是用匀强磁场来做的实验，教学内容逻辑有些混乱。教学顺序调整后“匀强磁场”的概念如何定义呢？仍然可以用教材中的说法，“它是强弱、方向处处相同的磁场。距离很近的两个平行的异名磁极之间的磁场，除边缘部分外，可以认为是匀强磁场。匀强磁场的磁感线是一些间隔相同的平行直线。”

      教材中在第三节讲“磁感线”，但在第一节却出现了“地磁场”的磁感线。

      这样安排仍然是重视三维课程目标的落实，前两节内容仍然安排两课时。

      （2）把引入“磁感应强度”概念放在安培力之后

      在初中学生对安培力已有接触，在第一节也做了实验，但学生仅仅知道磁场对通电导线有力的作用，不清楚安培力产生的条件和大小特点，在引入磁感应强度时重点强调“导线应与磁场垂直放置”就没有根据，只能硬给学生，或者说下节课再继续研究。

      按照原来的教材顺序讲，在“磁感应强度”一节中要做探究实验：影响电流在磁场中受力的相关因素有哪些？在“安培力”一节也要做类似的实验，只不过明确了安培力与电流、磁场夹角的关系。部分教学内容是重复的。

      从知识学习的角度看，对安培力的大小和方向的认识不仅是引入磁感应强度概念的基础，也是联系力学问题与电磁感应现象的纽带，有着承上启下的作用，用磁感应强度矢量描述磁场是本章重点。这两部分顺序调整从知识的逻辑关系上更合理。调整后的内容线索如图2。

      

      三、调整后各节的教学要点

      第一节 磁现象和磁场

      由于学生在初中已较深入地学习了磁场的基本性质及磁场的定性描述，所以，本部分内容建议采用复习加阅读的方式进行。

      可在教材内容基础上补充一些与奥斯特实验有关的历史背景材料，帮助学生更好地理解该实验的重大意义，体现学史教育的人文功能。

      第二节 几种常见的磁场

      在做好实验的基础上，阐明磁感线的绘制方法，归纳特点。

      在本章的学习中，营造学生的空间感是十分重要的。利用三维动画使学生建立磁感线的立体图景。

      熟练掌握安培定则，绘制电流磁场的三视图（侧视图、俯视图、剖面图）。

      定义匀强磁场：磁场强弱和方向都不变的那部分磁场区域称为匀强磁场，用磁感线表示，就是“磁感线平行且间距相等的磁场区域是匀强磁场”。由于所有磁场的磁感线都是闭合曲线，因此，真正的匀强磁场是不存在的，它只在一定的范围内可以近似看作匀强磁场。可以看作匀强磁场的区域包括两个异名磁极间的区域、通电螺线管的内部区域、两个平行放置的电流同向线圈之间的区域。说明：蹄形磁铁两股之间的区域不是匀强磁场，但其靠近磁极的前

区域常常可以近似作为匀强磁场对待。

      知道分子电流假说的内容，但更重要的是使学生认识到它的思想价值，感受物理学理论的和谐与统一。

      第三节 通电导线在磁场中受到的力

      做好以下有关实验：

      演示实验1：通电的方形线圈在磁场中受力

      实验仪器：蹄形磁铁，悬挂在铁架台上的矩形线圈，导线，电源，开关，滑动变阻器。

      实验目的：通过实验使学生认识安培力，说明安培力的方向与电流方向和磁场方向有关。

      结论：通电线圈在磁场中受力，使线圈偏离竖直位置。线圈加速的方向是合外力的方向，不一定是安培力方向。如何准确确定安培力的方向呢？还需要再研究安培力方向的特点。

      演示实验2：通电铜棒在磁场中受力

      实验仪器：强磁场，导体棒，由电容器放电提供电流。（如下页图3所用仪器为原大峪中学教师自制）

      

      （1）铜棒与磁场方向垂直放置，闭合开关，铜棒竖起向上跳起，俯视图如图4所示。

      说明：安培力的方向竖直向上，并且和电流方向垂直，也和磁场方向垂直。

      （2）铜棒与磁场方向不垂直放置（也不平行），闭合开关，铜棒仍然竖直向上跳起，俯视图如图5所示。

      

      说明：安培力的方向仍然是竖直向上的。

      结论：安培力和电流方向垂直，也和磁场方向垂直，即安培力垂直于电流和磁场决定的平面。

      根据这个实验结论可以得出演示实验1中安培力的准确方向，并提出可以用左手记忆三者之间的关系。

      演示实验3：研究通电导线受到的安培力的大小与电流和磁场之间夹角的关系

      实验仪器及注意事项（如图6所用仪器为原大峪中学教师自制）：将矩形线框悬挂在电子秤上，为排除线框重力的影响，可以先对电子秤调零。将线框与电源、滑动变阻器连接构成回路，将线框的下边放在强磁场中，强磁场安放在一个转盘上，可以调整电流和磁场方向的夹角。

      

      调节电流到2.5A左右，电流、线圈长度不变，依次改变电流和磁场之间的夹角分别为90°，60°，45°，30°和0°，学生观察安培力的变化并记录角度及与之对应的安培力的大小。

      结论：①当磁场方向与导体棒中电流方向垂直时受到的安培力最大，电流方向与磁感线之间的夹角减小时，安培力随之减小。

      ②当电流方向与磁感线方向平行时，安培力的大小为零。

      演示实验4：研究通电导线受到的安培力的大小与电流大小和导线长度的关系

      实验装置如图6，调整电流和磁场之间的夹角为90°，逐渐增大导线中的电流大小，测量安培力的大小。同理，改变线圈的大小，测量安培力的大小。

      结论：安培力的大小与电流大小、导线长度成正比。

      电流、磁场、安培力三者方向的空间关系对学生来讲是个难点，可以用简单的教具展示这个空间关系。在分析时将立体图画成平面图，即画成俯视图、剖面图或侧视图等，使较为抽象的物理问题简单化。

      第四节 磁感应强度磁通量

      通过上一节的实验数据，分析得出在匀强磁场中，F∝IL，即

是恒量；磁场改变时，比值

也改变。

反映了通电导线所在处磁场的强弱。对于非匀强磁场，建立电流元IL的理想化模型，分析其受力特点，定义磁感应强度。

      归纳、类比、深化对“引入探测物”和比值法定义物理量的认识。

      由磁感应强度的定义推导安培力公式，并结合矢量分解的思想拓展到B与I不垂直的情况。

      了解自然界磁场与人工磁场，体会“1特斯拉”究竟有多大。

      初步了解电动机和磁电式电表的工作原理。

      建立正确的磁通量概念，明确与磁感应强度的关系，会简单计算在匀强磁场中磁通量的大小。

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