磁感应强度 课例 借助类比迁移 构建物理概念.docx

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磁感应强度课例借助类比迁移构建物理概念

借助类比迁移构建物理概念

——《磁感应强度》教学课例

课例说明：

普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1（人教版）第三章第2节《磁感应强度》，本课为新授课。

【教学设计】

一、设计理念

物理课程强调“将学习重心从过分强调知识的传承和积累向获取知识的探究过程转化，从学生被动接受知识向主动获取知识转化，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的精神”。

本节课以“磁感应强度”为载体，引导学生充分利用已有的知识和方法展开学习研究，通过类比推理规定磁感应强度方向，类比猜想磁场应强度大小比值法定义，探究磁感应强度磁场力F与通电电流I、导线长度L的关系的过程后，让学生亲身经历寻找描述磁场强弱和方向的物理量，建立磁感应强度概念。

在新知识的形成的过程中，类比法、比值法、控制变量法等科学探究方法，培养主动获取知识意识。

磁感应强度用于描述磁场的强弱，与生活实际及生产实际联系密切，教材中的表3.2-1突出了这一点。

因此在课堂教学中，应该安排更多的实验，让学生通过实验构建磁感应强度概念；同时引导学生运用所学的知识去认识体会磁场强弱，教师用传感器测量条形磁体周围的磁感应强度、例举常见磁场的磁感应强度等与生活联系很密切内容来激发学生的兴趣和好奇心，体现新课程“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

根据所学知识给出看电视应该距离电视机3米以上的建议，在物理课堂渗透德育教育。

二、教材处理

1.教材地位分析：

磁感应强度是电磁学的基本概念之一，是磁场学习的基础。

本节课学习的本章的重点。

本节课的掌握情况以后学习通电导体、运动电荷在磁场中受到的力及磁通量概念等存在较大影响。

2、学生情况分析：

学生已定性地学习过磁场的知识，知道包括通电导体及磁体周围存在磁场。

但对用电流元受到磁场力与电流元之比定义磁感应强度的理解还是比较困难的。

3.教材处理：

通过复习电场、磁场类比及演示实验来突破难点，形成磁感应强度的概念。

三、教学目标

1．知识与技能

⏹通过类比寻找描述磁场强弱的物理量。

⏹能用小磁针判断磁场中某点磁感应强度的方向。

⏹探究垂直于磁场的通电导线所受安培力与通电电流、导线长度之间关系，深刻理解磁感应强度的定义式。

⏹知道磁感应强度单位，利用传感器体验特斯拉单位大小。

⏹知道常见磁场的磁感应强度大小。

2．过程与方法

⏹通过类比法迁移知识，让学生经历物理概念构建过程。

⏹比值定义法是物理学中经常采用的方法，培养学生掌握用数学工具描述物理量之间的关系的方法。

⏹大胆猜测实验验证，掌握控制变量法在多因素相关实验中的使用,给予学生科学探究过程体验。

⏹知道可以利用现代计算机技术获取、加工、分析科学实验数据的基本科学素养。

3．情感、态度与价值观

⏹借助已有的知识与方法，类比迁移到解决不熟悉问题，培养学生自主学习能力。

⏹树立正确对待实验数据的科学态度，大胆假设，小心求证。

⏹通过了解生活中磁场的强弱，渗透不宜长时间、近距离看电视等视力保护的德育教育。

四、教学重难点

1.重点：

引导学生通过类比、实验和分析构建磁感应强度概念。

2.难点：

通过比值法定义磁感应强度大小。

五、教学准备

3cm*2cm*3cm强磁铁两块，条形磁铁两块，小磁针若干只，导线20cm一条，DIS传感器一副，自制探究安培力与通电电流、导线长度定量关系研究演示仪：

励磁线圈（拆至洛伦兹力演示器）一副、学生电源一只、锡箔片、量角器、耳机中的细导线。

六、教学流程

【课堂实录】

一、应用对比实验引入新课

师：

通过上节学习，磁场主要存在什么地方？

【板书：

磁场】

生：

磁体及通电导体周围。

【板书：

磁体通电导体——】

师：

磁场对放入其中的什么东西会有力的作用。

生：

磁体、通电导体。

【板书：

磁体通电导体——】

师：

磁体的周围存在着磁场，看见了吗？

【教师拿出条形磁贴示意】

生：

没有。

师：

也摸不着啊。

这和我们前面学过的什么知识比较像？

生：

电场。

师：

空间中某点的电场有强、有弱，那磁场是否也有强弱之分呢？

下面请两位同学做个实验，来感受下磁场的强与弱。

两位学生同时拿到两块不同磁铁将之掰开，左边同学憋得满脸通红勉强将两块磁铁掰开，右边同学轻松地将磁铁掰开了。

如图1、2所示。

图1图2

师：

小块磁铁却需要费很大的劲才能掰开，真是“磁”不可貌相哈。

说明了磁场和电场一样存在强弱之分。

这就是我们这节课要探讨的话题——磁场的强弱。

空间中某点电场强弱物理学中用电场强度来表示，因此空间中某点磁场的强弱我们就可以用～～

生：

磁场强度来表示。

师：

遗憾的是，历史上磁场强度这个名字已经被占用了，用于表示另一个物理量。

因此物理学中就选用磁感应强度来描述磁场的强弱。

这就是我们今天要学习的§3.2磁感应强度。

【板书：

§3.2磁感应强度1.物理意义：

描述磁场强弱的物理量】

二、物理概念建立阶段Ⅰ——磁感应强度的方向

师：

研究电场强度时，我们在电场中放入什么？

生：

试探电荷。

师：

通过研究放入试探电荷q的受力情况，得到电场强度概念，描述了电场的强弱与方向。

现在研究磁场的强弱，放入什么比较好呢？

生：

小磁针。

【教师拿出条形磁铁和小磁针演示】

师：

试探电荷有正负，在电场中的同一位置其受力方向相反。

小磁针有N、S极，两极受力有什么特点？

生：

相反【教师PPT放大播放条形磁铁和小磁针，如图3】

师：

小磁针在这两个力的作用下会静止么？

生：

会转起来。

师：

会一直转下去么？

生：

不会，会停在某个位置上。

【教师PPT放大播放磁场中静止的小磁针，如图4】

图3图4

师：

在学习电场时，物理学中规定了正电荷受力的方向为该点电场强度方向。

如现在让你规定空间某点磁场的方向，你准备怎么规定？

各小组讨论1分钟，等下小组派代表上台发表观点。

生1：

可以规定小磁针N极所指的方向。

生2：

不对，应该是小磁针静止时N极所指的方向。

生3：

应该也可以规定小磁针N极的受力方向。

师：

物理学上规定：

自由小磁针静止时N极所指的方向为磁场该点磁感应强度方向，即小磁针N极受力方向为磁场该点磁感应强度方向。

【板书：

方向：

小磁针静止时N极所指的方向、小磁针N极受力方向】

师：

下面请看这里有两个线圈，如果给线圈通了电流，在线圈的周围就会存在磁场，我想知道线圈中间磁场的方向，你们有什么好的建议么？

生：

放入小磁针。

教师拿出一排的小磁针（如图5所示），轻轻抖动使自由小磁针转动至任意角度后放入线圈中，提醒学生观察实验现象，闭合开关（如图6所示）。

师：

小磁针现在的指向说明什么问题？

生：

说明线圈中间磁场的方向全部向上。

图5图6

三、物理概念建立阶段Ⅱ——磁感应强度的大小

1.引入电流元物理模型

师：

类比电场，电场强度大小是通过研究放入电场中的试探电荷受到的力和电荷用比值法定义的。

那我们可以在磁场中放入小磁针，如果测得小磁针的受力情况就可以类比电场进行比值法定义，能割去S极测得小磁针N极的受到磁场力大小？

生：

不行，割去S极，剩下的小磁针又会有一半变成S极。

师：

因为小磁针N极不能单独存在，所以不可能测量N极受力的大小，也就不可能确定磁感应强度的大小了。

怎么办？

【教师根据学生思考情况，觉得是否指着板书给予提示】

生：

放入通电导线。

师：

你们说着是这样的通电导线么？

【教师从口袋中拿出一根20cm左右的导线对学生疑惑的问，引发学生思考】

怎么通过一根导线去定义磁场中一点的磁感应强度呢？

【板书：

画一根导线示意图】

生：

可以取导线上的一点来研究。

师：

一点严格上是取不了的，可以取导线上很小的一段来研究试试。

物理学上把一段通电导线中的电流I与导线长度L的乘积IL叫做电流元。

电流元是一种物理模型，与电场中点电荷类似。

2.类比迁移，大胆猜想

师：

如果可以测得电流元的受力大小，参考电场强度定义，能否大胆猜想我们要寻找的磁感应强度可能是怎样的？

生：

F/IL【板书：

F/IL?

】

3.实验验证，数据处理

师：

这个猜想提出后，需要用什么进行验证。

生：

需要用实验验证。

师：

电流元，要求是很短的一根导线，又要求有电源供电，还要测得导线长度L，这怎么可能呢？

电流元其实仅仅是一种物理模型，是不能孤立存在的。

如果一段电流元不能处理，那么假设n段电流元且他们的受力情况一致，如果研究出整段导线受力情况后，就可以推出某段电流元的受力情况。

怎样才能使n段的电流元受力一致？

生：

放入匀强磁场中。

师：

什么叫匀强磁场？

生：

空间中磁感应强度大小和方向都一样的磁场。

师：

很好。

已经会把匀强电场类比到匀强磁场了。

我准备将这根导线就放在刚刚励磁线圈形成的匀强磁场中，让每一小段导线受力都一样。

其实，和试探电荷有区别的是通电导线水平放置、倾斜放置、竖直放置情况是不一样的，我们这里先研究最简单的和磁场垂直放置的情况。

然后研究磁场力F与通电电流I、通电导线长度L三者之间的关系。

要研究这三者的关系用什么方法？

【教师指着自制演示实验器材照片分析，如图7所示】

生：

控制变量法。

控制I不变，研究F与L的关系；控制L不变，研究F与I的关系。

师：

接下来我们着重研究控制L不变，研究F与I的关系的情况。

I、L都已经可以测量，现在研究如何测量F。

受到磁场力后，通电导线会被拉开，F如何测量呢？

生：

可以通过力的平衡求的磁场力F的大小。

师：

如果告知大家通电导线与竖直方向夹角θ及通电导线质量m，各小组用3分钟时间讨论下，如何求的磁场力F。

等下每个小组派代表上台讲解分享。

（如图8、9所示）

生：

通过受力分析和力的合成可以求的F=mgtanθ【板书：

F=mgtanθ】

图7图8图9

师：

下面开始做实验，看能不能通过实验验证我们刚才的猜想。

下面请3位同学来做实验，1位同学记录数据至excel，2位同学负责读取数据。

【教师打开制定好表格的excel。

操作实验，学生读取数据，如图10、11所示】

图10图11

师：

第一列电流都乘以L，即为IL数据写入第三列；第二列θ的角度全部这算为F=mgtanθ写入第四列（如图12所示）。

我们观察第三、四列数据能否发现其中的规律？

各个小组讨论下，1分钟后请小组代表发言。

【教师巡查引导，个别答疑】

生：

几乎成正比的关系，因为他们的比值基本相等。

师：

有没有更加直观、简单的数据处理方法呢？

生：

描点作图。

【教师用excel描点，拟合作图，通过编写如图13所示】

图12图13

师：

刚好是过原点的一条直线。

这说明F与IL存在什么关系？

生：

正比例关系

师：

这根直线的斜率与通电电流I、导线长度L及磁场力F都没有关系。

在课前我也做了一组数据，我们把他们的图像也画出来。

通过图像，你觉得那个地方磁场会更强些呢？

如图14所示。

生：

绿色的线表示的磁场会更强些。

师：

说说你的理由。

生：

去相同的IL，其绿色的磁场力更大些。

图14

师：

在磁场中的同一位置F/IL是相同的，不随电流I、导线长度L及磁场力F的变化而变化；而在不通的磁场中，F/IL往往是不同的。

因而刚用比值法定义的B=F/IL的猜想是对的，F/IL是可以用来描述磁场的强弱。

【板书：

B=F/IL擦除？

】

有人说：

由B=F/IL得，磁场中某点的磁感应强度B跟磁场力F成正比，跟电流强度I和导线长度L成反比。

对么？

生：

磁场中的某点的磁感应强度由磁场本身决定，与检验电流的大小、方向、通电导线的长度、受到的磁场力大小均无关。

4.体验特斯拉单位大小

师：

你能根据B=F/IL这个公式得知磁感应强度的单位么？

生：

N/A·m

师：

在国际单位制中，磁感应强度有专门的单位——特斯拉。

1T=1N/A▪m。

1T到底有多大呢？

【板书：

特斯拉1T=1N/A▪m】

生：

取1m的导线通1A的电流，垂直放在磁场中，如果受到的磁场力等于1N，导线所在的匀强磁场的磁感应强度为1T。

师：

这是磁感应强度传感器，可以直接测得磁场中某点的磁场强弱。

我们来测量条形磁铁的两极的磁感应强度。

观察示数，越靠近磁极，读数越来越大；在同一个位置，不同方向其磁场大小和方向都不一样（如图15、16所示）这说明磁感应强度和电场强度一样是属于矢量。

图15图16

如果把教室里的磁体物质全部拿走，那么教室里还会有磁场存在么？

生：

有，地磁场。

师：

地磁场的数量级在10-5T的数量级。

人体磁场在10-13-10-9T的数量级，所以医学上有磁疗一说。

日常生活、实验室常见元件的磁场大都在1-0.1T之间，磁场较大存在于核表面（如图17所示）。

家用电器工作时形成的磁场大都在10-6T数量级，并随距离衰弱，建议在家看电视要距电视机3m以上距离，以保护视力（如图18所示）。

图17图18

四、课堂小结、方法归纳

师：

本节课探究构建了一个物理概念——磁感应强度。

磁感应强度用于描述空间中某点磁场的强弱，是矢量，规定自由小磁针静止时N极所指的方向为磁场该点磁感应强度方向，即小磁针N极受力方向为磁场该点磁感应强度方向。

大小可以用定义式B=F/IL。

应用了类比法将电场中的知识迁移应用到磁场新知识学习中来，使用控制变量法进行实验探究，再次比值法定义出新的物理量。

同时，构建了一次“大胆猜想→实验验证”的科学探究过程体验（如图19所示）。

【板书：

类比法比值法、控制变量法、科学探究过程体验】

图19

五、作业

课后练习1、2、3

六、板书

【教学反思】

“类比”是一种探究式思维方式，是根据不同事物在某些特性上的相似，推理得出它们在另一些特性上也可能相似的思维形式。

在物理学习过程中，应用类比思维，可以激活知识结构生长点，搭建新旧知识的思维联系，降低感知的难度，促进知识的有序构建。

一、在类比中迁移知识，培养学生思维能力。

在本节课的教学中，如何寻找描述磁场强弱和方向的物理量是重点也是难点。

为了使学生能在已有知识结构上有序构建新知识，采用类比思维学习研究。

首先引导学生复习电场知识与磁现象相关知识：

“电荷—电场—电荷”和“磁体通电导线—磁场—磁体通电导线”，引入类比思维。

电场的强弱用电场强度表示，磁场的强弱用磁感应强度表示。

判断有无存在电场可放入试探电荷，判断有无磁场可放入小磁针；某点电场强度的方向用正电荷在该点所受电场力方向表示，某点磁感应强度方向用小磁针N极受力方向表示。

磁感应强度和电场强度都是矢量，都需要用平行四边形定则进行计算。

学生通过应用类比研究，提高了学习成就感，促进学习信心和兴趣养成及思维能力培养。

二、在类比中大胆猜想，体验科学探究过程。

介绍电流元概念后，类比电场强度定义式

，大胆猜想磁感应强度能否用

表示？

在这个学习目标的引领下，引导学生设计实验验证，放手给学生小组讨论，还学生课堂主体地位。

方案确定后，和学生一起做实验，得到的数据再次给予学生充分时间分析、处理数据，体会数据规律总结过程。

从“大胆猜想→实验验证”的科学探究过程设计，放大、放慢科学探究过程，促使学生感受概念知识的形成，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的精神。

三、在类比中深化理解，促使知识结构有序。

引入电流元后学生希望满满，细致分析后电流元不能孤立存在，学生思维又跌入低谷。

通过类比点电荷、质点等理想化模型虽然不存在依旧能解决物理实际问题，引导学生思考N段受力情况一致的电流元，拼接可形成一段通电导线，如果能测得该段通电导线的受力情况，即可获得电流元的受力大小。

引导学生在类比中，能够深入理解知识模型，促使电流元理想化的物理模型在实验设计时给予应用。

在实验设计时，告知学生磁场力的方向水平向右，同时说明与磁场方向垂直，使学生能知道这与类对象电场力方向存在区别；简要说明导线摆放位置有很多种，实验选择与磁场垂直这种最简单的方式，告知学生这与点电荷放在电场中的有区别。

关注类比过程中的不同点，促使在类比中深化理解知识，促进知识结构有序构建。

【课例点评】

本节课能以学生为中心，注重实验、注重学生知识的获取过程，符合新课程的理念。

主要体现为以下几点：

1.注重物理思维方法的渗透。

类比法贯穿课堂始终，不断引导促使学生通过类比建构磁感应强度概念。

引导学生体验用数学工具描述物理量之间关系的比值法定义物理量，应用3个以上物理量之间定量关系研究的常用方法控制变量法。

2.体现实验在物理学习中的应用。

实施实验引课——掰磁铁比赛，使学生明确课堂学习目标是基于解决实际问题而提出的；开展实验验证——自制实验探究F与I的定量关系，使学生体会实验是检验猜想的最佳方式；采取实验应用——设计课堂练习题判断通电线圈周围的磁场方向，使学生能用新知识解决实际问题；设计实验发现——利用磁感应强度传感器测量某点不同方向磁场强弱，让学生发现新知识增强学习成就感。

3.关注实验创新改进。

用1天的时间改进实验器材，借用洛伦兹力演示仪的励志线圈产生大空间的匀强磁场，自制铝箔片导体棒，放弃传感器、电子称等采用最原始的三力平衡的方法测量磁场力，坚持实验创新仪器简单、方法巧妙的原则。

4.关注学生已有知识结构生长点。

学生已有知识是使用类比法学习的基础，课堂通过复习电场及磁现象知识，为学生新知识构建再次奠定基础。

如：

磁体通电导线—磁场—磁体通电导线小磁针行不通时，还有其他方法可以试？

学生能根据已有知识结构很自然就想到电流元的模糊概念。

5.注重多媒体的应用。

特别是利用Excel处理实验数据，采用宏录制功能，设置快捷键Ctrl+A描点、Ctrl+B拟合直线、Ctrl+C读取另一组数据拟合直线，大大节省的课堂的时间，同时又让学生领悟到实验数据的处理方法。

6.关注板书设计。

结构严谨的板书设计，对课堂小结能起到提升作用，也是完善学生知识结构重要组成部分。