优化实验设计实现定量分析

1/3优化实验设计实现定量分析—《磁感应强度》实验教学设计绍兴市稽山中学尹黎萍董斌摘要:磁感应强度是电磁学的核心概念之一,在教学中占有十分重要的地位，本文将课本的定性实验小做改进实现定量分析，以期学生在观察实验、记录数据、计算分析中突破概念建立的难点，从而掌握磁感应强度概念。b5E2RGbCAP关键词：磁感应强度，定性实验，定量分析一、磁感应强度的地位和作用磁感应强度是电磁学的基本概念之一，是本章的重点。本节课安排在高中物理新课程标准实验教科书(人教版选修3－1)第三章《磁场》的第2节，在整个电磁学中，对本节内容的学习和掌握是非常必要和重要的，是以后学习电磁学知识，比如《选修3－2》模块中“电磁感应”“交流电”以及《选修3－4》模块中“电磁场”的基础。因此对磁感应强度的理解和掌握程度如何，不仅直接关系到本章后续的进一步学习，而且还将影响以后选修模块的学习和掌握。p1EanqFDPw同时磁场对磁极和电流的作用力远比电场对电荷的作用力复杂，如何寻找描述磁场强弱和方向的物理量更成为教学的难点和重点。DXDiTa9E3d二、国内对磁感应强度的一些研究在“一标多本”的课程设计理念下，由于不同的编者对《课程标准》理念理解的差异，不同版本教科书对“磁感应强度”的定义有所差异。RTCrpUDGiT“人教版”在介绍了“磁现象和磁场”后，采用与描述电场相类比的方法，引入了电流元的概念，并且说明孤立电流元不存在，接着用通电导线代替电流元来探究导线在磁场中的受力与导线中电流和导线长度之间的关系，得出公式，并且认为“B正是我们寻找的表征磁场强弱的物理量——磁感应强度”。5PCzVD7HxA“沪科教版”教材在介绍了磁体的磁场、地磁场、电流的磁场，以及磁感线等有关知识之后，在定义了磁通量之后定义磁感应强度。jLBHrnAILg“教科版”：在磁场中垂直于磁场方向的通电导线所受的磁场力F与导线长度L、导线中电流I的乘积IL的比值，叫做通电导线所在位置的磁感应强度xHAQX74J0X赵凯华和陈熙谋先生著的《电磁学》通过考察电流元的受力定义磁感应强度的。徐道龙等编著的《物理学词典》中用“磁场中某点磁感应强度B的大小等于单位正电荷以单位速度通过该点时受到的最大作用力”定义。赵凯华和张维善先生著的《新概念高中物理读本（第二册）》也采用这种定义方式。这种定义通过磁场对运动电荷的作用力来引入磁感应强度的方法比较接近物理本质，在一般的大学物理教材中都采用这种定义方式。LDAYtRyKfE国内已有的关于磁感应强度的教学，基本上都是设计实验，用控制变量法进行实验探究，得出安培力的决定因素，最后得出磁感应强度概念，但实验探究都是定性的研究。Zzz6ZB2Ltk铜山县教育局教研室曹开铮对课本实验作了改进,实现了定量分析,但是实验中增加了量角器测角度,偏角的测量比较困难,且需要查表求正切值.dvzfvkwMI1三、改进教学过程的一些尝试对不同版本教材磁感应强度定义的比较可以得出，“人教版”新教材对磁感应强度的定2/3义方式的处理还是比较到位的，对学生学习物理概念，培养其科学思维和科学素养均有较好地指导意义。在中学教材中引入电流元的概念，体现了理想化方法，突出了理想模型的建立。在教学中有利于与电场中试探电荷模型相类比，降低了学生学习的台阶，体现了“最近发展区”的教学理念。rqyn14ZNXI教科书由“孤立电流元不存在”，指出了实际的实验中需要用较长的直导线在匀强磁场中代替电流元，再从结果中推知电流元的受力情况，进而提出磁感应强度的定义。这样做，在思想方法上较为合理，且降低了难度，使学生易于接受。EmxvxOtOco但磁感应强度是比较抽象的概念,做好演示实验是帮助学生建立概念、理解和应用概念的关键.由于中学实验室没有直接测量磁感应强度的仪器,课本中的演示实验“探究影响通电导线受力的因素”的定性实验间接定义磁感应强度的,造成教师给学生解释不清、学生对概念理解不透.是不是可以将课本定性实验稍作改动，成为一个定量实验，让学生在观察实验、记录数据、计算分析中突破概念建立的难点，从而掌握磁感应强度概念。SixE2yXPq5现尝试将课本定性实验改成定量实验，具体实验操作设计如下：1．实验设计：课本中的导线用铜皮卷成的轻质铜棒替代，在靠近磁铁的边缘处水平固定一个毫米刻度尺，铜棒上用纸片做指针。6ewMyirQFL2.实验原理：细线悬挂的轻质铜棒受到磁场力作用后偏离竖直方向一个角度θ,由平衡条件F=Gtanθ.当θ很小时,tanθ≈d/l∝d,其中l为悬线的长度.kavU42VRUs实验中注意事项：①．悬挂铜棒时要用丝线悬挂，导线仅起通电的作用，不能着力；②．悬线长度在70cm左右为宜，不能太短；③．从侧面观测铜棒的偏移距离。3.实验操作：用一个变压器、一个电流表、一个蓄电池、若干导线，连接电路给铜棒通电。没通电时指针指示标尺的零刻度y6v3ALoS893.1保持电流不变，改变导线通电部分的长度，慢慢移动磁铁使得铜棒相对于磁铁的位置不变，逐个记录指针所指示铜棒的偏移量，观测d与L的关系。M2ub6vSTnP用一个强磁铁，保持导体在磁场中的长度不变，改变导体中的电流大小，并读取各次实验中指针的偏移量，把相关数据记录在表格1中。0YujCfmUCw表1悬线长度l＝0.60m,导线长度L＝0.03m，线圈重量G=0.2N实验次数导线电流I/A偏移量d/mm磁场力F≈Gd/l(N)比值F/IL10.51.50.000500.033021.03.10.001030.034331.54.50.001500.03303.2用几个强磁铁，保持导体中的电流大小，改变接入电路的导体长度，并读取各次实验中指针的偏移量，把相关数据记录在表格2中。eUts8ZQVRd表2悬线长度l＝0.60m,导线电流I＝0.5A，线圈重量G=0.2N实验次数导线长度L偏移量d/mm磁场力F≈Gd/l(N)比值F/IL10.031.50.000500.033020.063.00.001030.033030.094.60.001530.03403.3用一个磁性较弱的磁铁，保持导体在磁场中的长度不变，改变导体中的电流大小，并读取各次实验中指针的偏移量，把相关数据记录在表格3中。sQsAEJkW5T表3悬线长度l＝0.60m,导线长度L＝0.03m，线圈重量G=0.2N3/3实验次数导线长度L偏移量d/mm磁场力F≈Gd/l(N)比值F/IL10.031.00.000330.022020.062.00.000680.022030.093.10.001020.02264.实验数据分析学生分组计算三个表格中的数值，然后集体分析表格中的数据，归纳导体垂直磁场时受磁场力的规律。从表1可以得到：保持磁场和导体长度一定，磁场对导体的磁场力跟导体中的电流大小成正比。从表2和表3可以得到：保持磁场和导体中的电流大小一定，磁场对导体的磁场力跟导体长度成正比。综合3个表格中的数据可以得到：在允许误差范围内，比值F/IL对某一磁场是定值，无论怎样改变I和L，F都与IL的乘积大小成比例地变化，比值F/IL与IL的大小无关；对不同的磁场，F/IL是另一个定值，比值F/IL是磁场中各点的位置函数，它的大小反映了各不同位置处磁场的强弱程度，所以人们用它来定义磁场的磁感应强度。还应说明F是指通电导线方向跟所在处磁场垂直时的磁场力，此时通电导线受到的磁场力最大。GMsIasNXkA课本实验小做改进便实现了定量分析，学生观察实验、记录数据、计算分析……真正成为课堂的主人。定量分析既突破了概念建立的难点，又使学生领略了科学探究的真谛，提高了综合分析问题和归纳规律的能力。TIrRGchYzg