羅慧

摘 要：“安培力的方向是否就是金屬棒（線圈）的運動方向”，對于學生提出的質疑，利用力傳感器、電子臺秤等實驗器材在原有的實驗基礎上進行改進。共設計了四套實驗方案，從不同的角度判斷了安培力的方向。解決問題的同時，關注學生批判性思維的培養(yǎng)。

關鍵詞：實驗改進；實驗資源；安培力方向

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）7-0065-3

安培力的方向是《通電導線在磁場中受到的力》一節(jié)中的重點，通常是根據(jù)導體在磁場中的運動方向來判斷安培力的方向，并通過探究實驗得到左手定則的規(guī)律。常用的實驗有兩種：圖1實驗器材中的導線受力后發(fā)生擺動；圖2實驗器材中的金屬棒受力后水平運動，得到的結論是安培力沿水平方向。人教版教材中“改變導線中電流的方向，觀察受力方向是否改變”[1]也是這樣安排的，即觀察安培力的方向就是觀察運動方向。有學生提出質疑：導體運動的方向一定就是安培力的方向嗎？如圖3所示，如果運動的方向向右，安培力的方向可以傾斜向上，也可以是傾斜向下。稍作分析我們就知道在這樣的實驗器材下，導體除了受到安培力、重力外，還受到導線或金屬導軌的彈力，導體運動的方向應該是合力的方向，不一定就是安培力的方向。

能否在原有的實驗基礎上，重新設計或者對實驗進行改進，解決學生的質疑和困惑，準確判斷安培力的方向。在日常教學實踐的基礎上，筆者與學生一邊探討，一邊實驗，總結提煉出以下四種方案，拋磚引玉，供同行探討。

1 方案一

實驗器材：將磁鐵及力傳感器按圖4位置固定在鐵架臺上（未畫出），線框用細線固定，掛在力傳感器上，讓最底部一段導線在U型磁鐵內，保持靜止，對傳感器進行調零。

實驗現(xiàn)象：通電后，力傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，線框未出現(xiàn)擺動。

判斷依據(jù)：通電前，線圈處于平衡狀態(tài)，水平方向不受力。通電后，力傳感器讀數(shù)發(fā)生變化，說明磁場對通電導線有力的作用。線框沒有擺動，說明安培力的方向在豎直方向上。若讀數(shù)為負值，安培力方向向上；若為正值，安培力方向向下。

在傳統(tǒng)實驗1和安培力DIS定量實驗[2]的基礎上的改裝，體現(xiàn)了教育技術的應用，通過傳感器數(shù)據(jù)的變化和觀察線框的擺動情況來確定安培力的方向，有較強的說服力，需要有較高的實驗操作水平。

2 方案二

實驗器材：將磁鐵及金屬導軌按如圖5所示位置固定，撕一段細鋁箔片，長度比金屬導軌寬度略長。在U型磁鐵內將鋁箔片兩端分別固定在兩根金屬導軌上。

實驗現(xiàn)象：通電后，鋁箔向右發(fā)生明顯形變。

判斷依據(jù)：鋁箔片固定在金屬導軌上，中間部位僅受重力的作用。通電后，處在磁場中的鋁箔片受到安培力，因為其長度比導軌寬度略長，在合力的作用下，鋁箔片發(fā)生明顯彎曲，彎曲的方向即合力的方向。又因為鋁箔片質量極輕，重力相對安培力可以忽略，可以得到結論：安培力的方向水平向右。

力是使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因，也是使物體發(fā)生形變的原因，在傳統(tǒng)實驗2的基礎上，進行小小的改進，通過觀察鋁箔的形變方向來判斷安培力的方向，操作簡便，現(xiàn)象直觀。

3 方案三

實驗器材：如圖6所示，線圈固定在門形支架上，支架固定在鐵架臺上（未畫出），讓線圈最底端的導線放置在高精度電子臺秤（0.01 g）上的U型磁鐵內，臺秤顯示讀數(shù)為磁鐵對臺秤的壓力。

實驗現(xiàn)象：線圈通電后，電子臺秤的讀數(shù)未發(fā)生改變。

判斷依據(jù)：通電后，磁場中的通電導線受到安培力的作用，由于線圈固定，不會發(fā)生運動。根據(jù)牛頓第三定律，導線也會給磁鐵力的作用，方向與安培力方向相反。若安培力的方向斜向上，或者斜向下，則其在豎直上的分力不為零，電子臺秤的讀數(shù)在通電后會發(fā)生變化。實驗現(xiàn)象中，臺秤的讀數(shù)并未改變，可以判斷安培力沿水平方向。

從傳統(tǒng)實驗依據(jù)運動方向來判斷受力方向，改為從數(shù)據(jù)的變化上理解、判斷，材料簡單，原理清晰，結合舊知，有利于學生科學思維的培養(yǎng)。

4 方案四

實驗器材：所需器材與方案一相同，將力傳感器、細繩、線框、磁鐵按圖7固定（放置），記錄通電前力傳感器的讀數(shù)。

實驗現(xiàn)象：通電后，線框整體發(fā)生偏轉，穩(wěn)定后力傳感器讀數(shù)與通電前讀數(shù)一致。

判斷依據(jù)：如果安培力方向斜向上或斜向下，則其在豎直方向上的分力會使力傳感器的讀數(shù)發(fā)生變化。實際實驗中線圈通電前保持靜止，力傳感器讀數(shù)等于線圈重力，通電后，線圈在安培力的作用下發(fā)生偏轉。平衡后細繩拉力大小發(fā)生變化，但由于安培力在水平方向，因此拉力沿豎直方向的分力大小不變，大小等于重力，又因為力傳感器豎直放置，只能測量沿著力傳感器測量桿方向上的力，這個力等于拉力的豎直分力，所以力傳感器的讀數(shù)沒有發(fā)生變化。

該方案是傳統(tǒng)實驗1的升級版，通過直觀觀察線圈擺動，利用數(shù)據(jù)判斷安培力的方向更有說服力，但對力傳感器的讀數(shù)變化判斷是否存在豎直方向的安培力分量的理解相對較難，實驗前教師需將判斷依據(jù)講解到位。

日常教學中，實驗環(huán)節(jié)往往成為教師的表演，“假探究”“程序性實驗”限制了學生的思考，特別是批判性思維被嚴重遏制。當學生提出質疑后，筆者與學生共同探討，進一步挖掘實驗資源，證實了原實驗中安培力方向與運動方向的關系，引導學生聽從證據(jù)的指導，考慮所有的可能性，用自己的經驗和事實去重新審視已有的觀點是否有邏輯、有道理，有利于學生科學探究能力的培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]人民教育出版社課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書物理選修3-1[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]丁煥平，張英.利用DIS定量探究安培力創(chuàng)新設計[J].物理教學探討，2014，32（3）：74-75.

（欄目編輯 張正嚴）