基于审辨式思维的物理论证教学*
——以“磁场对运动电荷的作用力”为例

周佩佩

(清华大学附属中学望京学校 北京 100027)

窦维霞

(北京工业大学附属中学 北京 100022)

何德强

(北京市第八十中学 北京 100102)

张春丽

(北京市朝阳区教育科学研究院 北京 100021)

2022年版的《义务教育物理课程标准》提出物理课程的核心素养.核心素养是课程育人价值的集中体现,是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力.物理课程核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任.其中“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素,基于科学论证的教学方式得到教师们的青睐,是因为该方式有益于培养学生的问题意识、证据观念、推理能力和审辩性思维;也能促进核心概念的整合以及深化对知识内容、科学本质的理解.

1 科学论证的要素分析

物理科学论证活动是指学生基于原有知识提出可探究的问题,然后设计适切的、可操作性的实验方案,进行自主的实验探究,在实验中完成数据的搜集,以对数据的评估为依据发表自己的主张,并且能对同伴提出的质疑进行辩论和论证.整个学习过程以学生的探究性学习为主线,抓住探究学习的关键程序和能力,强调过程中的质疑和反思、交流和讨论、探索和创造,通过问题解决实现有效且深入的学习.我们认为,这种学习是学生生动、活泼、主动的学习,而不是被动、消极、低效的学习.

科学论证的要素包括可探究的科学论题、提出自己的主张、寻找事实依据、展开逻辑推理、进行合理反驳、总结科学结论等要素,图1阐述了科学论证要素的具体内容.本文以人教版高中物理选择性必修第二册第一章第2节“磁场对运动电荷的作用力”的教学为例,分享笔者基于审辨式思维的物理论证教学的研究成果.

图1 科学论证要素的具体内容

2 剖析教学内容

“磁场对运动电荷的作用力”这一节是对安培力知识的延深;又是学习带电粒子在磁场中运动的基础;也是电磁学与力学结合的切入点;还是研究微观带电粒子运动有关的宏观物理现象的开端.在知识结构和发展学生认知领域上具有非常特殊的价值!

本节知识主线的核心内容是洛伦兹力的方向和大小,从学生的能力和思维特点及其培养上看,洛伦兹力的方向涉及的空间立体关系比较抽象,适合学生在实践中感知,是培养科学探究的有效素材;洛伦兹力与安培力的宏观与微观的联系,是培养科学思维的关键载体,教学中可以通过教师引导,让学生自主建立两者之间的关联,再进行理论推导.另外洛伦兹力的基本地位、洛伦兹力与电场力之间的关联以及磁场与电场的关联这些教学内容,既能够完善学生的知识体系和物理观念、锻炼学生学习的能力,又给学生提供了丰富的想象空间.

3 教学过程

3.1 问题的提出

我们知道电荷处在电场中就会受到电场力的作用如图2所示,电场和磁场都是特殊的物质且相互联系.

图2 电子束演示仪

大家类比思考一下,磁场对电荷是不是也有力的作用呢?如果有,是不是只要在磁场中放入电荷就有磁场力的作用呢?这个力有什么样的特点?

设计意图：重力场、电场、磁场都能够产生力的作用,开放性问题的设置和讨论, 有利于学生对场和相互作用建立更加完善的认识.

3.2 探究1——磁场对运动电荷有力的作用吗?

实验猜想:磁场对运动电荷有力的作用.

猜想依据:磁场对通电导线有作用力,电荷的定向移动形成电流,因此磁场对运动电荷有力的作用.

实验操作:利用电子束演示仪如图2所示和T型磁铁进行实验,观察电子束在磁场中的偏转.

实验验证:抽成真空的玻璃管的左右两极分别连接到高压电源的两极时,阴极会发射电子.电子在电场的加速下飞向阳极.没有电场时,电子束成一直线.如果在电子束的路上施加磁场,电子束的径迹会发生弯曲.改变磁场方向,电子束会向相反方向弯曲,如图3所示.

图3 电子束在磁场中的偏转

实验结论:其实大量的实验证实洛伦兹力确实存在.在历史上荷兰科学家洛伦兹最早提出磁场对运动电荷有力的作用的猜想,为了纪念他,人们把磁场对运动电荷的作用力称为洛伦兹力.

设计意图：对电流的微观认识和对安培力的认识是学习洛伦兹力的重要事实经验,但这些对于洛伦兹力的学习来说都是间接信息,为了能够让学生接受运动电荷在磁场中受到力的作用这一事实,有必要为学生建立直接经验,即观察电子束在磁场中的偏转.由运用运动和相互作用观,可以由电子束在磁场中的偏转推断运动电荷在磁场中受到力的作用.

3.3 探究2——洛伦兹力的方向如何判断?

提出问题: 我们通过刚才的实验发现电子束的受力方向、运动方向和磁场方向三者的方向关系是立体的,那么用什么方法确定电子束的受力方向呢?

我的主张:洛仑兹力方向的判定应当遵循左手定则.

我的依据:磁场对电流有作用力,电荷的定向运动形成电流,磁场对电流的作用力本质上是对运动电荷的作用力,因此洛伦兹力方向的判定应当遵循左手定则!

实验操作:改变手中磁铁的方向使电子向上偏转,向下偏转,向靠近你的方向偏转,向远离你的方向偏转,并且利用你手中的模型如图4所示(橡皮泥、吸管)来记录电子束的受力方向、运动方向和磁场方向.

图4 吸管模型

证据支撑:用左手定则判定电子束的受力方向和实际的受力方向相符合.

审辩质疑:四指指向电子运动的方向,磁感线垂直穿过掌心,大拇指所指的方向就是受力的方向.发现利用左手定则判定的受力方向与电荷偏转的方向相反!

质疑反驳:电子定向运动的反方向是电流的方向.

修正完善:洛伦兹力的方向可以用左手定则判定,伸开左手,让拇指与其余四指垂直,并且都与手掌在同一平面内;让磁感线从掌心垂直进入,并使四指指向正电荷运动方向或者负电荷运动的反方向,这时拇指所指的方向就是运动的电荷在磁场中受到的洛伦兹力的方向,如图5所示.

图5 左手定则判定洛伦兹力的方向

设计意图：物理是以实验为基础的学科,科学实验是揭示自然规律的重要方法和手段.培养学生科学研究最基本的思维方法:科学猜想—逻辑推理—实验验证—归纳讨论.同时借助科学推理和物理建模,由洛伦兹力的方向判定规律遵循安培力的方向判定规律——左手定则,得出安培力是洛伦兹力的宏观表现.在这个实验探究的过程中,让学生体会透过现象寻求微观本质的意义,培养学生的科学思维能力.

3.4 探究3——洛伦兹力大小的表达式

提出问题:导线中的电流方向与磁场方向垂直时,安培力大小为F=BIL.在这种情况下,导线中电荷定向移动的方向也与磁场方向垂直.既然安培力是洛仑兹力的宏观体现,那么我们是否可以由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式呢?

核心思想的构架过程:

真实情境：如图6所示,导体棒MN与电源、开关、导线及平行导轨构成的回路,放在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于回路所在平面,此时,导体棒相对磁场静止不动.

模型建构:设导体棒MN是长度为L,横截面积为S的直导线,单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,自由电荷定向移动的速率为v.这段通电导线垂直磁场方向放入磁感应强度为B的匀强磁场中.

理论推导:

(1)电流强度I

(2)通电导线所受的安培力

膀胱痉挛是膀胱冲洗患者比较常见的并发症，临床表现为阵发性发作的耻骨上疼痛，可能与患者术前存在不稳定膀胱、手术导致细胞受损增加了应激性以及气囊及尿管的刺激有关[1-2]。膀胱痉挛不仅影响了手术治疗效果，而且可导致继发性出血，引起膀胱内血块填塞、泌尿系统感染等[3-4]，如果处理不当可延长患者的住院时间，增加患者的经济负担。因此，必须采取积极的效果预防膀胱痉挛的发生。现选取我科室2017年1月—2018年1月收治的60例需要膀胱持续冲洗的患者为研究对象，探讨综合护理干预对膀胱痉挛的预防效果。

F安=BIL=BnqSvL

(3)这段导线内的自由电荷数

N=nV=nLS=nvtS

(4)每个电荷所受的洛伦兹力

洛伦兹力的方向判定如图7所示.

图7 左手定则判定洛伦兹力的方向

实验结论:

电荷量为q的粒子以速度v运动时,如果速度方向与磁感应强度方向垂直,那么粒子所受的洛伦兹力为

F洛=qvB

设计意图：高中物理电磁学部分最重要的力就是安培力与洛伦兹力,推导洛伦兹力的过程中,将复杂问题简单化,设置成4个问题链让学生依次去探究,帮助学生从导体内自由电子定向移动形成电流的微观模型出发,过渡到所有定向移动的自由电子受到的洛伦兹力的矢量合为安培力的大小.还有一个有心的设计,物理情景为导体棒相对磁场静止不动,这为后续导体棒所受安培力等于各个电子所受洛伦兹力在运动方向上分力的合力,不等于洛伦兹力的合力做铺垫,也为洛伦兹力永不做功、安培力可以做功留有接口.

这样就为学生提供了解决问题的逻辑线索,降低思维难度,锻炼学生的逻辑推理能力.在推理过程中,挖掘宏观现象的微观本质,在物理的研究或学习中培养寻找一件事物与另一件事物之间的联系是一种推理和认知能力,搭建合适的脚手架、提供合适的引导、建立物理模型、科学的推理论证,达到培养学生思考问题的习惯、发展学生物理科学思维和科学探究能力.

3.5 探究4——洛伦兹力的作用效果

提出问题:当运动电荷垂直于磁场的方向射入,它会做什么样的运动?

我的主张:匀速圆周运动.

理论推导:洛伦兹力始终与速度垂直,只改变速度的方向,不改变速度的大小.若带电粒子垂直进入磁场且仅受洛伦兹力作用将做匀速圆周运动

可得

实验验证:外加磁场,电子垂直进入,看到运动轨迹变为圆周,如图8所示.

图8 匀速圆周运动

审辩质疑:不一定做匀速圆周运动,或者说做匀速圆周运动需要一定的条件.

合理反驳:匀强磁场,速度垂直进入磁场.

反思性研讨1：请问如何操作才能让电子束做圆周运动的半径更大一些,你有什么办法吗?

审辩1：若带电粒子平行射入磁场,粒子受到的洛伦兹力又如何呢?

理论分析:若带电粒子平行射入磁场,粒子做直线运动,说明不受洛伦兹力,如图9所示.

图9 匀速直线运动

审辩2：若带电粒子不垂直也不平行射入磁场,粒子受到的洛伦兹力又如何呢?

理论分析:将速度分解为垂直于磁场的方向和平行于磁场的方向,垂直于磁场的方向做匀速圆周运动,平行于磁场的方向做匀速直线运动,整体上是螺旋前进的运动,如图10所示.

图10 螺旋前进的运动

设计意图：爱因斯坦说:“提出一个问题比解决一个问题更重要”,培养学生的问题意识.引导学生分析提取、整合信息、建立模型,与已有知识建立联系,提出自己的想法,表达自己的观点,培养学生的质疑精神、证据意识.

3.6 探究5——物理学史再学习

到目前为止,洛伦兹力是一个非常重要且特殊的力,既能解释磁场的微观本质,又能够控制电子在磁场的运动,我们再来了解一下洛伦兹这位科学家.他是荷兰卓越的理论物理学家、数学家,经典电子论的创立者.洛伦兹以电子概念解释物质的电性质,从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用,即洛伦兹力.1902年洛伦兹和他的学生塞曼同获当年的诺贝尔物理学奖.

设计意图：从科学史的角度看,洛伦兹是一位在经典与近代物理之间承上启下的科学巨擘,是第一代物理学家的领袖.他不仅在科研中取得了令人瞩目的成就,更在做人方面为世人树立了典范.

3.7 探究6——洛伦兹力的应用:东方超环

其实我们利用电子束的磁偏转有很多重要的实际应用.比如2021年5月28日我国科学装置“东方超环”取得了国际性重大突破,首次实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行,为可控核聚变铺平了道路.东方超环的核心技术之一是控制等离子体的运动,从而把它们约束在一个指定的区域内.我们学习物理是非常重要的,它是为了更好地服务于人类的科技与生活.

设计意图：电子束的磁偏转体现了物理知识与科学技术的联系,培养了学生的科学态度与社会责任感.

4 总结反思

物理学科核心素养落实点在于我们是否能够运用结构化的知识技能解决复杂的真实情境问题.因此在教学中应把跟学生生活联系密切的实际问题、社会热点问题、现代科技成果等有真实情境的教学内容引进课堂,应让学生获得在真实情境中解决物理问题的大量经验,形成把情境与知识相关联的意识和能力,结合教学内容的特点,从科学论证的要素出发,创设问题情境,设计合理的科学论证活动,培养学生科学论证的能力.