《磁场》教材分析与教法研究

《磁场》教材分析与教法研究

谢璞

一、教材分析

（一）教材的地位

本章是电磁学基础知识的重要部分。全章建立了磁场的概念，阐明了描述磁场的基本物理量，讨论了磁场对电流及运动电荷的作用规律，揭示了磁现象的电本质。这些都是进一步学习电磁感应、交变电流、电磁振荡与电磁波、原子物理等后继课程所不可缺少的重要基础，应引起充分的重视。

（二）教材的结构

本章可分为四个单元：

第一单元：第一节，在复习初中内容的基础上，讲述永磁体的磁现象、磁感线及电流的磁场。

第二单元：第二、三两节，在研究磁场对通电导线的安培力大小的基础上引入磁感应强度的概念，明确了安培力的方向及电流表的工作原理。

第三单元：第四、五、六三节，讨论了磁场对运动电荷的作用，确立了洛伦兹力的大小和方向，阐明了带电粒子在匀强磁场中的运动规律，介绍了质谱仪和回旋加速器的工作原理。

第四单元：第七节，介绍了安培分子电流假说、磁性材料及其应用．

（三）目标与要求

1．正确理解磁感应强度的概念和磁感线的概念。

2．掌握磁场对通电导线的作用力——安培力。

3．知道磁电式仪表的工作原理。

4．掌握磁场对运动电荷的作用力——洛伦兹力。

5．掌握带电粒子在匀强电场中做圆周运动的规律。

6．理解回旋加速器的工作原理。

（四）重点和难点

本章中的永磁体的磁现象、电流的磁场、磁场对电流的作用等内容，在初中物理中已经初步学过，但本章教材不是初中教材的简单重复，而是在初中对磁现象的描述和定性地讨论磁场对电流的作用规律的基础上，提高到定量地研究磁场的特性、磁场对电流和运动电荷的作用规律以及认识磁现象的本质。在本章教学中要突出这种由现象到本质、由定性到定量的认识上的飞跃。因此，本章教材的重点是：描述磁场特性的基本物理量——磁感应强度，表达磁场对电流和运动电荷作用规律的基本公式和基本定则——安培力公式、洛伦兹力公式和左手定则。

上述重点内容对初学者来说都有一定难度，其中尤其是对磁感应强度的定义、洛伦兹力公式的导出、带电粒子在匀强磁场中的运动以及带电粒子在复合场中运动问题的分析方法等等，学生往往不能正确理解和掌握，是教学中的难点，在教学中要十分注意讨论问题的逻辑和思想方法。

二、教法研究

本章教材的中心是研究磁场的特性及有关的规律，因此磁感应强度B是本章的中心概念。教学时，首先研究磁场的形象化描述，引出磁感线的概念，然后在研究磁场对通电导线作用力——安培力大小的基础上，给出磁感应强度B的概念，再依次研究磁场对电流和运动电荷的作用力的规律及其在实际中的各种应用。这样围绕着磁感应强度B这个中心概念，形成了本章的基本框架。

（一）关于磁感应强度的引入

磁感应强度是描述磁场本身性质的一个物理量，关于磁感应强度B可以有多种引入方法，既可以根据磁场对通电导线来定义，也可以根据磁场对运动电荷的作用来定义，还可以根据对通电线圈的作用来定义等。中学教材通常都是根据磁场对通电导线的作用来定义的。它和《电场》中定义电场强度E一样，都是通过比值来定义的。这里想就物理量的定义问题，做较为深入的说明。一个物理量的定义要符合两个要求：①定义所确定的物理量的量值能定量地表征事物的物理性质或特征；②定义本身符合事物的客观实际，即从定义得到的量值受该事物所制约。例如关于磁感应强度的定义，在实验中我们看到：垂直放入磁场中的通电导线受到的磁场力的大小F跟通过的电流I和导线的长度l成正比，即F跟乘积Il成正比，比值跟乘积Il无关，是一个恒量；将通电导线放在磁场中不同的地方，这个比值一般是不同的，可见比值能反映磁场的一种性质。反映出磁场的什么性质呢？我们分析一下这个比值的大小意味着什么。比值在数值上等于垂直放入磁场中的通以单位电流的单位长度的导体所受的磁场力的大小，这个比值越大，说明垂直放入磁场中的通以单位电流的单位长度的导体所受的磁场力就越大，因此，它能够定量地反映出磁场的强弱，我们就用它来定义一个描述磁场强弱的物理量——磁感应强度。而这个定义本身又符合客观实际，即定义的量值为磁场本身的性质所制约。

（二）要使学生明确，有关判定方向的“定则”，都是人为规定的

在物理学中，为了判定某个物理量的方向，常采用一些简单易行的方法。这些方法，（即所谓的“定则”）在磁场及电磁感应的教学中，有着广泛的应用，并构成相关教学内容必不可少的组成部分。为了使学生明确这种“定则”的效用，正确灵活地运用“定则”，教学中应注意以下几点：①同一物理量方向的判定方法可以是多种的；②运用某一定则时，要对相关物理量作已知、未知的区分，教师要有意识地变更由某一定则所联系的几个物理量的已知、未知情况，让学生比较熟练和灵活地应用这一定则。例如本章的安培定则和左手定则即是如此。顺便说明一下，在进行安培定则右手握螺线管的教学时，要在复习初中内容的基础上上升到磁感线的高度，同时要使学生会识别直线电流、环形电流和通电螺线管三种常见磁场的磁感线的立体图及纵、横截面图并掌握其画法。

（三）要突出磁场对电流的作用力这一教学重点

磁场对电流的作用力在教材中起着承上启下的作用，是本章的一个教学重点。这是因为它不仅是研究磁场性质的出发点，而且又是研究磁电式电表的工作原理及洛伦兹力的基础。在教学中要注意以下几点：①要注意磁感应强度的定义式与安培力公式的区别。公式是据给定磁场中的给定点上的检验电流（电流元）的受力情况，确定这一位置的磁场的性质，它对任何磁场中的任何点都是适用的；而公式是在已知磁场性质的基础上，确定在给定位置上给定的一小段通电直导线的受力情况，中学阶段，它只适用于匀强磁场。教师应给学生指出，物理公式在作数学的等价变形时，其物理意义和适用范围都将发生变化，这是运用数学解决物理问题时要引起注意而又常被学生所忽视的问题。②要注意安培力公式与洛伦兹力公式的联系。有关这两个力的含义，在教材及有关资料中已有较多的说明，这里从略。教师在此也可以结合电流、电量、速度、位移知识对这两个公式中的各个物理量的相互联系作些粗略地说明，即：因为，所以。③要使推理分析与实验观察协调配合。在完成了宏观的安培力教学之后，如何引入并进行微观的洛伦兹力的教学，可以有两种方法：第一种方法是由分析推理到实验验证，即在对安培力公式进行逐量分析并微观解释之后，导出洛伦兹力公式，然后再通过阴极射线束在磁场中的偏转得以验证；第二种方法是由实验观察到分析论证，正好和第一种方法相反。方法一由宏观到微观，教学内容的联系比较自然；方法二由现象到本质，教学过程比较生动。两者都易于激起学生学习的兴趣，有利于培养学生的观察、分析能力，符合人的认识规律，因此很难区分孰优孰劣，教师可以在教学中酌情选用。目前