【文章內(nèi)容簡介】 醒我們在課堂上應(yīng)該有意識、有步驟地滲透物理思想和方法。本主題的教學(xué)內(nèi)容，對后續(xù)知識的學(xué)習(xí)是重要的基礎(chǔ)。比如選修 32 中電磁感應(yīng)、交流電和選修 34 中的電磁場和電磁波。（三）對磁感應(yīng)強度概念的深入理解 1．磁感應(yīng)強度的幾種定義磁感應(yīng)強度是描述磁場的基本物理量，已知一個磁場的磁感應(yīng)強度的分布，就可以確定運動電荷、電流在磁場中受到的作用力。磁感應(yīng)強度 B 是和靜電場的電場強度 E 相對應(yīng)的物理量。靜電場對電荷有作用力，靜電場可以用檢驗電荷在電場中各點受到的力來研究，電場強度 E 定義為 E=F/q。研究 磁場也要引進一個檢測的物體，由于磁場對運動電荷、電流有作用力，對通電線圈有力矩的作用，所以可以采用這三種物體作為檢測磁場的物體，采用不同的檢測物體，也就相應(yīng)地給出了磁感應(yīng)強度 B 的不同定義。(1)用一段通電直導(dǎo)線受到的磁場力來定義通電直導(dǎo)線在磁場中受到力的作用，這種力叫做安培力。實驗表明，如果直導(dǎo)線的長度為 L，電流為 I，垂直放在勻強磁場中，作用在導(dǎo)線上的安培力大小為 F=ILB。由此可以定義磁感應(yīng)強度 B，即 B=F/(IL)。這種定義方法是用一小段通電導(dǎo)線作為檢測物體，安培力能夠演示，形象直觀，便于學(xué)生接受。中學(xué)教科書多采用這種定義方法，在中學(xué)物理實驗室用來測量 磁感應(yīng)強度的電流天平就是根據(jù)這個原理設(shè)計的。但是這種方法確定的是一小段通電導(dǎo)線所在范圍內(nèi)磁感應(yīng)強度 B 的平均值，只有對勻強磁場，給出的才是各點的 B ；對于非勻強磁場，不能給出各點的 B，因此，對學(xué)生建立磁感應(yīng)強度的概念有不利之處。(2)用通電矩形線圈受到的力矩來定義面積為 S 的小矩形線圈，通以電流 I，當線圈平面跟磁場平行時，線圈所受磁場力的力矩為 M=BIS，由此可給出 B 的定義式，即 B=M/(IS)。由于線圈等效于一個小磁針，線圈在磁場中受到的作用力相當于小磁針受到的作用力。所以用線圈作為檢測物體來研究磁場，與歷史上對磁場的認識過程比較一致，某些普通物理教科書中有采用這種定義方法的，但是由于線圈總有一定的大小，所確定的也是線圈范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強度 B 的平均值，不能嚴格地確定磁場中各個點的 B。(3)用運動電荷受到的磁場力來定義實驗表明，運動電荷在磁場中要受到力的作用，這個力叫做洛倫茲力。運動電荷 在磁場中某點所受磁場力的大小跟電荷量 q、運動速度 v 以及該點的磁感應(yīng)強度 B 有關(guān)系，還跟運動方向與磁場方向間的夾角有關(guān)系，當電荷運動的方向垂直于磁場時所受的磁場力最大，且 F=qvB，由此可給出磁感應(yīng)強度 B 的定義式，即 B=F/(vq)。電磁學(xué)是研究電磁場與電荷間相互作用及運動規(guī)律的，電磁場對電荷有作用 力，通過電場對電荷的作用力引入了電場強度 E，與此對應(yīng)，通過磁場對運動電荷的作用力來引入磁感應(yīng)強度 B。從理論上講，這種定義 B 的方法也比較本質(zhì)、嚴謹，所以許多教科書中采用這種定義方法，但這種定義方法比較抽象，要求學(xué)習(xí)者有較高的抽象思維能力和推理能力。磁感應(yīng)強度還有一個名稱叫做磁通密度，即它在數(shù)值上等于通過與磁場方向垂直的單位面積的磁通量大小，反映了該處磁感線的疏密情況。這種定義方法可以把描述磁場的兩種方法磁感應(yīng)強度和磁感線有機地結(jié)合起來，便于學(xué)生理解。3.《磁場》知識的拓展磁的應(yīng)用非常廣泛，隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，和磁有關(guān)的霍爾元件得到廣泛應(yīng)用，我們下面主要介紹霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用?；魻杺鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（，1855—1938）于 1879 年在研究金屬的導(dǎo)電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾元件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)也是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流 I，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強度為 B 的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電勢差為 U H 的霍爾電壓。根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于通電導(dǎo)線周圍存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導(dǎo)線電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。如果把霍爾元件按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號就可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)，則可以確定其運動速度。2010 年北京高考就考察了霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用，題目如下：23.（18 分）利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件以及傳感器，廣泛應(yīng)用于測量和自動控制等領(lǐng)域。本題在題干中介紹了霍爾效應(yīng)的現(xiàn)象和產(chǎn)生機理等相關(guān)知識，考察學(xué)生聯(lián)系實際，建立物理模型，應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。在第 3 問還提出一個開放性問題 “利用霍爾測速儀可以測量汽車行駛的里程。除此之外，請你展開“智慧的翅膀”，提出另一個實例或設(shè)想。”本設(shè)問給學(xué)生提供了一個對問題進一步探索研究的空間和平臺，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用、關(guān)注社會、關(guān)注身邊的生活。應(yīng)該說，這樣設(shè)問，體現(xiàn)了課程改革的基本理念，對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、對中學(xué)物理教學(xué)起到了良好的導(dǎo)向作用。二、《磁場》主題的教學(xué)策略《磁場》主題的教學(xué)重點是，第一，學(xué)生在認識磁場的基礎(chǔ)上正確理解磁場的描述方法，即理解磁感應(yīng)強度這個概念以及磁感線的物理意義。第二，磁場對通電導(dǎo)線或運動電荷的作用力，即安培力和洛倫茲力。本主題的難點是應(yīng)用磁場對運動電荷的作用規(guī)律來分析粒子在磁場中的運動，以及和磁場有關(guān)的實際應(yīng)用。（一）《磁感應(yīng)強度》教學(xué)策略磁感應(yīng)強度是電磁學(xué)的基本概念之一，是本主題的重點。磁感強度概念的引人、方向的規(guī)定、大小的定義都可以通過和電場強度類比來學(xué)習(xí)，通過學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生體驗類比這種科學(xué)研究方法。但磁感強度方向的規(guī)定用小磁針 N 極的受力方向，磁感強度的大小利用電流受力來定義，這又比電場強度定義更復(fù)雜，往往使學(xué)生產(chǎn)生混淆。有的教材中引人電流元這個理想模型，就像質(zhì)點、點電荷、試探電荷一樣，電流元也是一個理想化模型。另外，電流元還涉及到“微元法”這一物理思想。在用 Vt 圖像求位移時，學(xué)生已經(jīng)接觸過微元法，電流元的引人可以讓學(xué)生進一步體悟“微元法”這一物理思想。磁感應(yīng)強度是用比值定義法來定義的。比值定義法 是物理中最常用的定義物理量的方法，類比電場強度，結(jié)合微元法，使學(xué)生進一步鞏固比值定義法。《磁感應(yīng)強度》教學(xué)案例小磁針在磁場中靜止時，它的 N、S的指向是唯一確定的，撥動它，它將發(fā)生轉(zhuǎn)動，但當它重新靜止時，又回到原來的指向。所以物理學(xué)中就把小磁針靜止時 N 極所指的方向規(guī)定為該點的磁場方向，即磁感應(yīng)強度的方向?；蛘哒f，小磁針N極的受力方向或S極受力的反方向為該點的磁感應(yīng)強度的方向。問題：小磁針確定磁場的方向非常方便，但無法確定N、S 極在磁場中的受力大小，怎么確定磁場的強弱呢？磁場除了對磁體有力的作用外，還對通電導(dǎo)線有力的作用。我們可以根據(jù)通電導(dǎo)線在磁場中的受力情況來描述磁場的強弱。請學(xué)生猜想磁場對電流的作用力和哪些因素有關(guān)？做好如圖所示的定性演示實驗：（1）磁場力大小和懸線的偏角正相關(guān)，為了現(xiàn)象明顯，懸線不能太短。演示時注意裝置的擺放，讓學(xué)生便于觀察偏角的大小。（2）當偏角不同時，要慢慢移動磁體使導(dǎo)線相對于磁體的位置不變。（3）分別接通2和4，改變導(dǎo)線通電部分的長度，保持電流大小相同，比較偏角大小。（4）保持通電部分長度不變，改變電流的大小，比較偏角的大小。定量實驗表明：當通電導(dǎo)線和磁場垂直時，它受力的大小與導(dǎo)線的長度 L 成正比，又與導(dǎo)線中的電流 I 成正比。即 F ∝ IL?；蛘?F/IL= 定值。這個定值的大小可以反映磁場的強弱，定值越大，表明磁場越強。為了反映磁場中各點的磁場強弱，在物理學(xué)中，把很短一段通電導(dǎo)線中的電流 I 與導(dǎo)線長度 L 的乘積 IL 叫做電流元。電流元和質(zhì)點、點電荷一樣都屬于理想化模型。有了電流元這個模型，我們就可以定義 磁場中每一點磁場的強弱 , 即磁感應(yīng)強度的大小。定義：當導(dǎo)線和磁場垂直時，若電流元 IL 在該點所受磁場力為 F，則磁感應(yīng)強 度 B 的大小大小等于 F 與 IL 的比值。對于該定義，應(yīng)該強調(diào)以下幾點：? 磁感強度 B 的單位特斯拉 T 由定義式確定，1T=1NAm ? 定義的前提條件是導(dǎo)線和磁場垂直。? 在磁場中同一點，F(xiàn)/IL= 定值。即某點磁感應(yīng)強度 B 與電流元 IL、及其受力 F 無關(guān)。? 磁感應(yīng)強度 B 的方向并非 F 的方向，二者互相垂直，B 的方向為小磁針 N 極的受力方向。作為對磁感應(yīng)強度這個概念的的復(fù)習(xí)鞏固，可對比磁場和靜電場，比較磁感應(yīng)強度和電場強度的異同。兩者都用比值法定義物理量，其基礎(chǔ)是力與電荷量、電流元成正比，比值反映了場的強弱；二者也有明顯不同，從方向看，靜電力與電場強度的方向總是相同或相反，而磁場對通電導(dǎo)線的作用力方向與磁感強度的方向總垂直。從大小看，某試探電荷在電場中某位置受靜電力的大小是一定的，而某電流元在磁場中受的磁場力大小還與通電導(dǎo)線如何放置有關(guān)，定義式的成立條件是磁場和導(dǎo)線垂直。（二）《磁感線》教學(xué)策略用磁感線描述磁場的強弱和方向，由于有初中基礎(chǔ)和前面電場線的學(xué)習(xí)，理解起來并不困難。但由于磁感線的分布是空間的，而不是平面的，應(yīng)該通過演示實驗來加深認識，教學(xué)中應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的空間想象力?？梢圆扇?“一圖多畫”的辦法，即對于同一個物11理情景，從不同的角度用圖形來描繪，可以先畫出立體圖，然后轉(zhuǎn)化成不同的平面圖，像正視圖、側(cè)視圖和俯視圖?！洞鸥芯€》教學(xué)案例明確曲線上每一點的切線方向跟這點的磁感應(yīng)強度方向一致，或者說與靜止于該點的小磁針 N 極所指的方向一致?？梢杂描F屑在磁場中的分布情況來模擬磁感線的形狀。這是因為細鐵屑在磁場中磁化成小磁針，輕敲玻璃板，鐵屑就會有規(guī)則地排列起來，模擬出磁感線的形狀。明確磁感線只是為了研究問題方便而假想的一系列曲線，磁體周圍并不真正存在磁感線。引人磁感線后，讓學(xué)生對比電場線和磁感線，并明確： ? 兩者都用切線方向描述場的方向，用疏密描述場的強弱；? 電場線是不閉合的，始于正電荷，終于負電荷；磁感線是閉合的，沒有起點和終點。學(xué)生明確了用磁感線來描述磁場的強弱和方向后，可以引導(dǎo)學(xué)生研究幾種常見的磁場，加深理解，同時也為進一步學(xué)習(xí)提供具體的磁場形式。學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過條形磁體、蹄形磁體、同名磁極間、異名磁極間的磁感線。比較熟悉通電螺線管周圍的磁場。高中階段我們在復(fù)習(xí)以上磁場的基礎(chǔ)上，應(yīng)該把通電直導(dǎo)線和環(huán)形電流的磁場作為重點。首先用細鐵屑模擬出通電直導(dǎo)線的磁感線，使學(xué)生認識到通電直導(dǎo)線周圍的磁感線是以導(dǎo)線上各點為圓心的同心圓。然后用小磁針來確定磁感線的方向。把實驗現(xiàn)象用圖形表示出來，和學(xué)生共同總結(jié)出安培定則。為了培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，可以引導(dǎo)學(xué)生做一做圖形轉(zhuǎn)換，先畫出通電直導(dǎo)線周圍磁場的立體圖，然后轉(zhuǎn)換出平面圖。首先讓學(xué)生識記兩個表示方向的符號 和 的意義，然后帶領(lǐng)學(xué)生畫出縱剖圖，圖中的符號 和表示磁感線的方向。接著再讓學(xué)生畫出俯視圖和仰視圖，圖中的符號 和表示電流的方向。引導(dǎo)學(xué)生比較仰視圖和俯視圖，兩圖描述同一磁場的磁感線，一個是逆時針，而另一個是順時針，所以我們描述環(huán)形磁場方向的時候，必須明確觀察的角度。由于磁感線的分布是空間的，而不是平面的，所以我們有必要演示磁場的空間分布情況，圖中的實驗裝置給學(xué)生看一看，學(xué)生馬上有豁然開朗的感覺。對于環(huán)形電流的磁場，從磁感線的描述、磁場方向的確定到安培定則的得出，由于有直導(dǎo)線的磁場作為鋪墊，教師只要做好演示實驗，歸納和總結(jié)大可讓學(xué)生完成，一方面是給學(xué)生一個練習(xí)的機會，另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和科學(xué)表述能力。最后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生把環(huán)形電流和通電直導(dǎo)線以及通電螺線管的磁場做一做分析對比。我們可以把環(huán)形電流分割成無數(shù)個電流元，每一個電流元可以看成是一個通電直導(dǎo)線，環(huán)形電流的磁場可以認為是這些電流元的磁場進行矢量疊加得到的。從另一個角度看，環(huán)形電流也可以看作只有一匝的通電螺線管，從磁場分布情況看，通電螺線管可以等效成一個條形磁體，環(huán)形電流可以等效成一個小磁針。通過這樣的類比，使學(xué)生對電流的磁場形成一個統(tǒng)一的認識，另外等效思想也為學(xué)生分析具體問題提供了一個非常方便的辦法。比如下面問題：如圖所示，兩個完全相同的閉合導(dǎo)線環(huán)掛在光滑絕緣的水平橫桿上，當導(dǎo)線環(huán)中通有同向電流時(如下圖)，兩導(dǎo)線環(huán)的運動情況是()，電流大的環(huán)其加速度也大 ，電流小的環(huán)其加速度較大 ，兩環(huán)加速度大小相同 ，兩環(huán)加速度大小相同盡管學(xué)生還沒有學(xué)習(xí)左手定則，但我們可以用等效方來分析本題，把兩個環(huán)形電流等效成一對小磁針，靠近的兩端為異名磁極相互吸引，所以兩個導(dǎo)線環(huán)互相吸引，又由于牛頓第三定律，相互作用力大小相等，而兩環(huán)完全相同，由牛頓第二定律可知，兩環(huán)加速度大小相同。所以正確答案為 C。本題也可以把環(huán)形電流分割成無數(shù)的電流元，每兩個相對的電流元電流方向相同，相互吸引。安培分子電流假說，盡管教學(xué)要求不高，但對培養(yǎng)學(xué)生的物理思維有非常重要的價值，使學(xué)生感受物理理論的和諧、統(tǒng)一。進一步理解磁現(xiàn)象的電本質(zhì)，使學(xué)生體會由事物的表面現(xiàn)象挖掘其本質(zhì)原因的思維過程，培養(yǎng)思維的深刻性。有必要讓學(xué)生知道，“假說”是用來說明某種現(xiàn)象但未經(jīng)實踐證實的命題。在物理規(guī)律和物理理論建立的過程中，假說常常起著很重要的作用。它是在一定的觀察和實驗的基礎(chǔ)上概括和抽象出來的。安培分子電流就是在“通電螺線管磁場與條形磁鐵的磁場極為相似”這一事實的啟發(fā)下，結(jié)合環(huán)形電流磁場的特點，經(jīng)過思維發(fā)展而產(chǎn)生出來的，這種從表面現(xiàn)象的簡單相似到本質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系的發(fā)展，體現(xiàn)了物理學(xué)深刻而又簡潔之美。安培電流假說把電流的磁場和磁體產(chǎn)生的磁場很