吳 剛

(巴中市恩陽區(qū)恩陽中學(xué)，四川 巴中 636064)

1 導(dǎo)引

2017年教育部制定了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》,標(biāo)準(zhǔn)凝練了主要包括“物理觀念”、“科學(xué)思維”、“科學(xué)探究”、“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．[1]物理核心素養(yǎng)是學(xué)生接受物理教育過程中逐漸形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成．核心素養(yǎng)的制定很好體現(xiàn)了物理學(xué)科的育人價值,是對三維課程目標(biāo)的提煉和升華．[2]

圖1

皮亞杰的建構(gòu)主義觀點認(rèn)為,學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者在一定的情景下,借助他人(教師、學(xué)生等)的幫助,利用必要的學(xué)習(xí)資源,通過學(xué)生主動的意義建構(gòu)方式而獲得,學(xué)生從原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)．這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中用探究的方法去建構(gòu)知識的意義,將新、舊知識聯(lián)系起來,并對這種聯(lián)系加以認(rèn)真思考．同時,在學(xué)習(xí)過程中與他人進(jìn)行協(xié)作、交流,從而促進(jìn)意義建構(gòu)．[3]如何在物理課堂教學(xué)中更好地讓學(xué)生建構(gòu)知識,實現(xiàn)對學(xué)生核心素養(yǎng)的培育和提升,筆者以教科版高中物理選修3-1第3章第4節(jié)“磁場對運動電荷的作用——洛倫茲力”一課為例,構(gòu)建以啟迪教學(xué)激發(fā)學(xué)生思維,探究教學(xué)培育學(xué)生素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計．在深入研讀教材的基礎(chǔ)上,制定其課堂教學(xué)流程如圖1所示．

2 教學(xué)過程

2.1 課題引入

圖2

教師播放視頻短片“極光”,視頻截圖如圖2所示．提問:為什么極光只出現(xiàn)在地球兩極?指出極光的出現(xiàn)與帶電粒子受磁場力的作用有關(guān),激發(fā)學(xué)生對自然現(xiàn)象的好奇和思考,調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性,初步建立磁場、電荷、運動及其相互作用的物理觀念和從物理學(xué)視覺解釋自然現(xiàn)象的意識．

2.2 復(fù)習(xí)導(dǎo)引

教師引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)回憶電流是大量自由電荷定向運動形成的,金屬導(dǎo)線中自由移動的電荷是電子,并且規(guī)定正電荷的定向運動方向即自由電子定向運動的反方向為電流方向,垂直放置在磁場中的通電導(dǎo)線(電流)要受到安培力作用．結(jié)合這兩點啟迪學(xué)生思考,磁場對運動電荷是否有力的作用?安培力是否是磁場對大量定向運動電荷作用的宏觀表現(xiàn)?引導(dǎo)學(xué)生在已有知識儲備的基礎(chǔ)上去發(fā)現(xiàn)問題并能提出合理的猜想,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識．

2.3 實驗驗證磁場對運動電荷是否有力的作用

教師簡介電子束演示器的主要構(gòu)造和原理,如圖3所示．指導(dǎo)學(xué)生使用演示器和用條形磁鐵N極靠近玻璃管,觀察實驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)電子束徑跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),如圖4所示．啟迪學(xué)生從物體做曲線運動的條件分析得出運動的電荷受到一個與運動方向存在夾角的力,這個力就是磁場對運動電荷的作用力,我們稱這種力叫做洛倫茲力．從復(fù)習(xí)舊知識中提出問題,大膽作出猜想與假設(shè),并用演示實驗得以驗證,較為完整地呈現(xiàn)科學(xué)探究的一般環(huán)節(jié)．通過這一探究環(huán)節(jié)的設(shè)計,讓學(xué)生積極參與、體驗,感知新知源于探索．

圖3

2.4 實驗探究洛倫茲力的方向

圖5

教師啟迪學(xué)生思考:磁場對通電導(dǎo)線(電流)的安培力方向可以由左手定則判斷,而電流是大量自由電荷定向移動形成的．磁場對運動電荷的洛倫茲力方向是否也可以用左手定則判斷?學(xué)生借助電子束演示器、條形磁鐵去探究洛倫茲力的方向．為便于學(xué)生在實驗探究過程中觀察,表達(dá)磁場方向、電子運動方向和洛倫茲力方向,最終驗證3者方向是否滿足左手定則,教師有必要引導(dǎo)學(xué)生建立空間直角坐標(biāo)系．例如建立以電子束出射點為坐標(biāo)原點,電子束出射方向為x軸正向,豎直向上為y軸正向,垂直于實驗觀察者方向為z軸正向的空間直角坐標(biāo)系,如圖5所示．條形磁鐵分別沿平行于坐標(biāo)軸放置,使磁場方向與電子運動方向平行或垂直,N極靠近演示器玻璃管,分別指向+x、-x、+y、-y、+z、-z6個方向,觀察電子束在條形磁鐵N極不同取向下的徑跡偏轉(zhuǎn)方向．

教師指導(dǎo)學(xué)生分析實驗觀察到的現(xiàn)象,循序漸誘學(xué)生得出結(jié)論:

(1) 電子束徑跡偏轉(zhuǎn)方向是電子所受到的洛倫茲力方向;

(2) 電子束不發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明電子不受洛倫茲力作用,而電荷在電場中一定受到電場力,運動的電荷在磁場中卻不一定受洛倫茲力;

(3) 用伸直的左手判斷洛倫茲力方向時,發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場方向垂直穿過手心,四指指向電子運動方向,大拇指所指的方向卻是徑跡偏轉(zhuǎn)的相反方向．問題出在哪兒呢?引導(dǎo)學(xué)生回憶正電荷定向運動的方向規(guī)定為電流方向,電子帶負(fù)電荷,用左手去判斷帶負(fù)電的電子所受的洛倫茲力方向,應(yīng)該將四指指向電子運動的相反方向,那么大拇指所指的方向就是徑跡的偏轉(zhuǎn)方向．

通過教師的指導(dǎo)、點撥,學(xué)生的探究、分析,帶電粒子在垂直于磁場運動時,所受洛倫茲力的方向可由左手定則判斷,但要注意電荷的電性．

2.5 理論探究洛倫茲力的大小

教師啟迪學(xué)生思考如何計算洛倫茲力的大小,讓學(xué)生結(jié)合已學(xué)的知識和方法闡述自己的思路．

問題2:如何選擇研究對象?怎樣建立物理模型?導(dǎo)體內(nèi)大量自由電子在兩端加電勢差后做定向運動,形成電子流．對于這種介質(zhì)流我們可以在流體流動方向選取一段“圓柱體”,以“圓柱體”內(nèi)定向運動的電子作為研究對象,如圖6所示．

圖6

問題3:如何計算“圓柱體”內(nèi)運動電荷的數(shù)目?設(shè)單位體積內(nèi)電子數(shù)目為n,“柱體”橫切面積為S,電子定向運動的速率為v,在時間t內(nèi)電子定向運動的長度為L,則L=vt,柱體體積V=LS,柱體內(nèi)電子數(shù)目N=nV=nLS=nvtS.

問題5:如何計算電流的安培力?由安培力公式F=BIL,則每一個電子受到的洛倫茲力

對于電荷量為q的電荷,洛倫茲力大小為f=qvB.

教師通過緩緩誘導(dǎo),學(xué)生思維漸漸洞開,推導(dǎo)出洛倫茲力公式就水到渠成．在該環(huán)節(jié),教師先讓學(xué)生獨立思考尋找解決問題的思路、與同伴合作交流分享觀點、面向全體發(fā)表個人見解,使學(xué)生樹立良好的科學(xué)態(tài)度．教師再搭梯引橋,將目標(biāo)問題層層分解為學(xué)生思維能力可及的一個個小問題,循序漸誘學(xué)生去思考．通過建立理想物理模型、進(jìn)行科學(xué)的理論推理論證,達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動腦想問題的習(xí)慣,發(fā)展學(xué)生物理科學(xué)思維和科學(xué)探究能力．

2.6 科學(xué)探究帶點粒子在磁場中的運動

圖7

教師試探地問學(xué)生:帶電粒子在磁場中可能做勻速直線運動嗎?可能做類平拋運動嗎?可能做勻速圓周運動嗎?還是一般的曲線運動?帶電粒子在磁場中究竟做什么性質(zhì)的運動．結(jié)合實驗演示,如圖7所示．引導(dǎo)學(xué)生從觀察到的現(xiàn)象出發(fā),從力與運動關(guān)系角度思考并表達(dá)自己的觀點．粒子具體做何種運動形態(tài),取決于磁場特點(是否為勻強(qiáng)磁場、方向)與帶電粒子的速度方向．為何將條形磁鐵靠近電子束演示器時,沒有觀察到電子做圓周運動?是圓周不完整,還是根本就不是圓周運動?讓學(xué)生去思考．

3 結(jié)束語

整個教學(xué)設(shè)計從猜想、驗證電荷是否受到磁場力的作用,到實驗探究洛倫茲力的方向．從理論探究洛倫茲力的大小,到理論、實驗兩方面探究帶電粒子在磁場中的運動性質(zhì)．通過討論交流、自主探究、合作學(xué)習(xí)等多種形式,讓科學(xué)探究始終貫穿整個教學(xué)活動．整堂課以傳授洛倫茲力這一知識點為載體,以培育學(xué)生科學(xué)探究能力,發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)為目的,將傳遞知識、培養(yǎng)能力、發(fā)展素養(yǎng)做到水乳交融,把發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地生花,最終實現(xiàn)育人目標(biāo)．