教材上“楞次定律”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

高 俊①

(江蘇省句容高級(jí)中學(xué)江蘇 鎮(zhèn)江212400)

摘 要：本文通過(guò)類(lèi)比實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，改變了楞次定律傳統(tǒng)教學(xué)中“現(xiàn)象多,過(guò)程復(fù)雜，思維鏈條長(zhǎng)，效果不夠好”的諸多困境，讓學(xué)生在聯(lián)想、類(lèi)比中分析、歸納、總結(jié),得出楞次定律，思維順暢，又合乎邏輯，所以順利突破了傳統(tǒng)教學(xué)中的難點(diǎn).

關(guān)鍵詞：楞次定律類(lèi)比實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

作者簡(jiǎn)介：①高俊(1962-),男，中教高級(jí)，主要從事高中物理教學(xué)及研究.

收稿日期：(2015-04-12)

現(xiàn)行人民教育出版社的教材中“楞次定律”一節(jié)知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得太復(fù)雜：要尋找原磁場(chǎng)方向、原磁場(chǎng)變化、感應(yīng)電流方向、線圈繞向、感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向等關(guān)系.造成這一復(fù)雜關(guān)系的推手正是教材中的演示實(shí)驗(yàn).因?yàn)樗斐闪藥追矫娴睦щy：在實(shí)驗(yàn)中怎樣觀察感應(yīng)電流方向，怎樣觀察感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，學(xué)生感知有困難(在現(xiàn)象分析判斷上思維度高、思維鏈條長(zhǎng))；當(dāng)實(shí)驗(yàn)得到磁鐵和線圈運(yùn)動(dòng)的4種情況后，要學(xué)生同時(shí)對(duì)原磁場(chǎng)、磁通量變化、感應(yīng)電流的方向等眾多要素進(jìn)行分析、歸納并總結(jié)就顯得過(guò)于復(fù)雜，對(duì)學(xué)生而言絕非易事！而突破這一困境的有效辦法是——改進(jìn)實(shí)驗(yàn).

1類(lèi)比實(shí)驗(yàn)——引發(fā)猜想 展現(xiàn)邏輯的魅力

前一章學(xué)過(guò)了安培力，學(xué)生已掌握了條形磁鐵與通電圓環(huán)間的相互作用.他們知道用等效法，把通電圓環(huán)等效成小磁針.如圖1所示，由安培定則可知，圓環(huán)等效成小磁針后，左端是S極，右端是N極，異名磁極相吸引，圓環(huán)向左運(yùn)動(dòng).

圖1　條形磁鐵與通電圓環(huán)間的作用

類(lèi)比實(shí)驗(yàn)：用一根細(xì)線將一輕質(zhì)的鋁環(huán)(取自易拉罐)懸掛起來(lái)，如圖2所示，做以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn).

(1)將條形磁鐵的N極垂直鋁環(huán)平面并插向鋁環(huán)，發(fā)現(xiàn)鋁環(huán)向遠(yuǎn)離磁鐵方向運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)一種“拒斥”現(xiàn)象.

(2)將條形磁鐵的N極垂直鋁環(huán)平面并遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋁環(huán)向磁鐵方向跟進(jìn)運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)對(duì)磁鐵的“挽留”.

(3)換用S極垂直鋁環(huán)平面并插向鋁環(huán)，發(fā)現(xiàn)鋁環(huán)向遠(yuǎn)離磁鐵方向運(yùn)動(dòng)，同樣呈現(xiàn)一種“拒斥”現(xiàn)象.

(4)用S極垂直鋁環(huán)平面并離開(kāi)鋁環(huán)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋁環(huán)向磁鐵方向跟進(jìn)運(yùn)動(dòng)，又出現(xiàn)對(duì)磁鐵的“挽留”.

圖2　條形磁鐵插入和抽出鋁環(huán)實(shí)驗(yàn)

引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用等效法分析，再由“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”的基本規(guī)律判斷出，同磁極靠近或遠(yuǎn)離時(shí)鋁環(huán)被排斥或吸引的現(xiàn)象說(shuō)明，鋁環(huán)中感應(yīng)電流的方向不同.

讓學(xué)生猜想：你認(rèn)為感應(yīng)電流的方向與哪些因素有關(guān)呢？

由以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生不難得出：

A．感應(yīng)電流的方向跟磁通量的變化有關(guān).

B．感應(yīng)電流的方向跟原磁場(chǎng)的方向有關(guān).

啟發(fā)學(xué)生：感應(yīng)電流、原磁場(chǎng)、磁通量的變化這3個(gè)量不是一類(lèi)物理量，所以它們的關(guān)系很難被發(fā)現(xiàn).想想看，上面實(shí)驗(yàn)?zāi)闶侨绾蝸?lái)判定感應(yīng)電流方向的？這里學(xué)生會(huì)自然而然地由“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”先找到感應(yīng)電流的磁場(chǎng)這一“中介”.注意，這里是學(xué)生自己自然而然找到了“中介”，邏輯關(guān)系很順暢.而教材中的實(shí)驗(yàn)，教師要費(fèi)很大的力氣，引導(dǎo)學(xué)生找出“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)”這一“中介”，但盡管教師花了很大的心思進(jìn)行引導(dǎo)，學(xué)生還是很迷惘！

由此不難分辨出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣！

再引導(dǎo)：為了探究感應(yīng)電流的方向與磁通量的變化、原磁場(chǎng)方向的關(guān)系，在物理學(xué)中通常采用什么方法？學(xué)生不難回答： 控制變量法.接下來(lái)讓學(xué)生分組分別設(shè)計(jì)表格尋找規(guī)律：1組和2組以原磁場(chǎng)的方向歸類(lèi)，看感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向與磁通量變化之間的關(guān)系；3組和4組以磁通量的變化歸類(lèi)，看感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向的關(guān)系.很顯然按第1，2組的方式歸類(lèi)，看感應(yīng)電流磁場(chǎng)方向與磁通量變化的關(guān)系，邏輯關(guān)系不順；而按第3組，4組的方式歸類(lèi)，看感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向的關(guān)系，這個(gè)邏輯關(guān)系就順暢了.

讓學(xué)生評(píng)判：老師分析的是否在理？然后巡視學(xué)生設(shè)計(jì)的表格，啟發(fā)道：用磁通量的變化歸類(lèi)，3，4組的同學(xué)是不是發(fā)現(xiàn)了這時(shí)感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向關(guān)系表述就很簡(jiǎn)單——相同與相反！

展示學(xué)生的成果，如表1所示.

表1　學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這樣的表格設(shè)計(jì)要比教材上簡(jiǎn)潔明了得多！進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從物理本質(zhì)上進(jìn)行歸納：當(dāng)鋁環(huán)中的磁通量增加時(shí)，感生電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反；而當(dāng)鋁環(huán)中的磁通量減少時(shí)，感生電流磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同.接著教師再由特殊到一般進(jìn)行歸納總結(jié)：凡是由磁通量的增加而引起的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流激發(fā)的磁場(chǎng)就阻礙原磁通量的增加；凡是由磁通量的減少而引起的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流激發(fā)的磁場(chǎng)就阻礙原磁通量的減弱，最終總結(jié)出楞次定律的內(nèi)容.

楞次定律：感應(yīng)電流具有這樣的方向，就是感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使學(xué)生體驗(yàn)了,獨(dú)立地觀察、思考、分析、運(yùn)用一個(gè)知識(shí)的“再發(fā)現(xiàn)”和構(gòu)建的探究過(guò)程，學(xué)生是以探索者、研究者的身份投入學(xué)習(xí)的，從而保證了課堂教學(xué)中學(xué)生的主體地位.本設(shè)計(jì)也充分發(fā)揮了教師的引導(dǎo)作用，“變教為誘”，“變教為導(dǎo)”，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的“變學(xué)為思”，“變學(xué)為悟”，輕松地突破了教學(xué)難點(diǎn)，效果很好.

2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)——驗(yàn)證與體驗(yàn)

楞次定律是歸納總結(jié)出來(lái)了，但它至此仍屬于學(xué)生進(jìn)行的理性思考和邏輯分析，我們必須要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.為了驗(yàn)證這一定律，筆者自制了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示，在三合板上并聯(lián)了兩個(gè)發(fā)光二極管，用可拆變壓器中匝數(shù)為1 600匝，0～16 V的線圈作為原線圈(線圈可視作密繞的多匝鋁環(huán))，當(dāng)條形磁鐵快速插入和拔出時(shí)，會(huì)看到兩個(gè)二極管分別發(fā)光.再引導(dǎo)學(xué)生用楞次定律分析，看看結(jié)論與實(shí)驗(yàn)看到的結(jié)果是否一致！這既是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，又是學(xué)生的親歷體驗(yàn)，效果不錯(cuò)！

圖3　自制驗(yàn)證楞次定律的實(shí)驗(yàn)裝置

1邢紅軍,寧成.楞次定律教學(xué)的高端備課.中學(xué)物理教學(xué)參考,2013 (4):20～22