陶聰燕

(玉環(huán)中學 浙江 臺州 317600)

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用“檢驗”“質疑”等方法深化對物理規(guī)律的認知
——以“探究感應電流的產生條件”教學為例

陶聰燕

(玉環(huán)中學 浙江 臺州 317600)

從學生已有的知識出發(fā)，進行檢驗，由理論與實驗不統(tǒng)一引發(fā)質疑，激發(fā)尋找真相的需求.不斷地將所得到的結論進行檢驗，根據實驗現象引發(fā)沖突，再次質疑，再次尋找更本質的原因.設計思路符合學生的認知發(fā)展，也符合物理規(guī)律發(fā)現和發(fā)展的規(guī)律.而教師的作用只是提供現象，引導學生發(fā)現沖突，使學生逐步尋求更本質的原因.

1 實驗引入

在工作的電磁爐上放置帶小燈泡的閉合線圈，發(fā)現燈泡亮了，說明導線中有電流，在沒有電源的情況下，這個電流是怎么產生的呢？學生可以說出是磁生電的原因，進而點明課題，并將此電流命名為感應電流.

設計意圖:以生活中常用的電磁爐和簡單的線圈引入新課，通過明顯的現象激發(fā)學生的學習興趣.也為之后的解剖電磁爐奠定基礎.

2 溫故—應用—質疑

讓學生回憶初中學過的“磁生電”現象，產生感應電流的條件：在閉合回路中，部分導體在磁場中做切割磁感線運動.如圖1所示，產生感應電流的條件是閉合回路和切割.

圖1 產生感應電流的條件示意圖

思考:判斷圖2情況中能否產生感應電流？

圖2 判斷4種情況能否產生感應電流

學生根據閉合回路部分導體切割磁感線的條件判斷得到A,B,C都屬于部分導體在切割，認為能產生感應電流，而D不能產生.

實驗檢驗:教師演示上述實驗，發(fā)現A,B能產生感應電流，而C,D不能產生感應電流.

引導學生仔細分析操作C，閉合回路的左、右兩邊在切割，滿足部分切割，卻沒有產生感應電流.

質疑1：閉合回路的部分導體切割磁感線了，卻沒有產生感應電流，初中所學的產生條件就不成立了.

學生討論:重新分析這4種情況，A,B回路可以產生感應電流，說明有相同的原因導致，C,D回路不能產生，說明也存在相同的原因，前后兩個原因應該是同一因素，到底是什么因素導致感應電流產生了呢？

結果匯報:面積的變化，經過檢驗A,B回路在磁場中有效面積發(fā)生變化，從而產生了感應電流，而C,D回路在磁場中的有效面積沒有發(fā)生變化，從而不能產生感應電流.

結論1：產生感應電流的條件是閉合回路在磁場中的有效面積發(fā)生變化.

設計意圖:從學生初中已有的知識出發(fā)進行理論判斷，再經過實驗檢驗(檢驗C時最好將線圈貼著下方磁極表面移動)，理論判斷和實際檢驗是沖突的，激發(fā)學生的認知矛盾，使學生開始質疑已有的認知可能存在錯誤或不足，引發(fā)探索本質條件的需求.學生的討論結果除了面積發(fā)生變化，也有可能會直接得到磁通量發(fā)生變化，兩種情況都是肯定的，并要在4種情況中進行檢驗.

3 應用—質疑—探究

工作的電磁爐上燈泡亮了，應該也是回路在磁場中的有效面積發(fā)生變化.可是線圈明顯不動，學生認為是電磁爐里面有磁鐵，并且磁鐵在動，導致產生的磁場運動，從而使線圈在磁場中的面積發(fā)生變化.

檢驗:打開電磁爐蓋子，里面沒有磁鐵，卻有線圈.認為磁場是通電線圈產生的，并且通電后線圈會動.插上電源，發(fā)現線圈并不運動，而是保持靜止不動的，學生所期待的運動的磁場并沒有出現，所以燈泡回路在磁場中的有效面積沒有發(fā)生變化.

質疑2：閉合回路在磁場中的有效面積沒有發(fā)生變化，卻也可以產生感應電流，之前的結論還成立嗎？感應電流的產生條件到底會是什么呢？

我們一起來看看當初法拉第是怎么發(fā)現感應電流的.如圖3所示，法拉第的實驗裝置中有兩個線圈分別接在兩個回路中，左邊回路有電源，右邊回路沒有電源而有電流表，實驗過程中若電流表指針偏轉，說明在右邊回路中會產生感應電流.

圖3 法拉第發(fā)現感應電流實驗裝置示意圖

實驗演示:教師故意把電源和開關放在離電流表較遠的地方，教師合下開關后，跑到電流表邊上看電流表的指針是否發(fā)生偏轉.顯然，教師看不到電流表指針偏轉的現象.而學生卻說,開關剛合下瞬間，電流表指針偏轉了一下.教師將電流表移近重新實驗，發(fā)現開關閉合和打開的瞬間，電流表的指針會偏轉.開關閉合或打開后，電流表指針不偏轉.

結論2：開關閉合、斷開瞬間，線圈A中電流發(fā)生變化，線圈B中產生了感應電流.電流穩(wěn)定后沒有感應電流.B線圈感應電流產生是因為A線圈電流發(fā)生變化.

設計意圖:這個環(huán)節(jié)是離開初中知識的一個全新探索.解剖電磁爐是新結論的一個應用，由表及里，打開后也讓學生回想起產生磁場的不僅是磁鐵，還可以是通電線圈，為之后的學生實驗奠定基礎.從學生的角度逐步解釋電磁爐現象，直到最后實在無法解釋了，再對所得到的結論產生質疑.面對兩次質疑，學生可能會產生疲憊，此時借助法拉第線圈作為簡單的引入.故意錯過感應電流的發(fā)現，也是在驅使學生對真相的追求.

思考:除了閉合、斷開開關，還可以有哪些操作也能產生感應電流呢？

學生實驗:所給實驗儀器有兩個線圈、開關、導線、電流表、電源，學生針對電流變化指出還需要滑動變阻器.教師介紹所給的兩個線圈和電流表的量程選擇，指導學生畫好兩個回路，如圖4所示.

圖4 探究產生感應電流的其他操作電路圖

指明實驗內容：

(1)按電路圖連接電路;

(2)體驗開關斷開、閉合瞬間產生感應電流;

(3)嘗試其他操作能否產生感應電流;

(4)匯報能夠產生感應電流的其他操作.

學生匯報:

(1)滑動滑動變阻器→改變A線圈的電流→B線圈產生感應電流;

(2)A線圈插入或拔出B線圈→B線圈產生感應電流;

(3)鐵芯插入或拔出A線圈→B線圈產生感應電流.

質疑3：(2)和(3)操作并沒有使A線圈中電流發(fā)生變化，卻也可以使B線圈中產生感應電流，究竟是什么因素改變了導致感應電流的產生呢？

引導分析發(fā)現兩個線圈的相對運動雖然沒有改變A線圈的電流，卻使得B線圈的磁場發(fā)生變化，再回過頭看斷開、閉合操作，改變A線圈電流的同時也改變了B線圈的磁場.

結論3：閉合回路的磁場發(fā)生變化會使閉合回路中產生感應電流.

設計意圖：通過學生的實驗體驗，以及其他方式產生感應電流的探索，對比電流變化的結論，讓學生發(fā)現只是電流變化這個結論是不夠的，更為本質的是磁場發(fā)生變化.從而統(tǒng)一法拉第線圈產生感應電流的條件是閉合回路磁場發(fā)生變化.

4 結論的應用與統(tǒng)一

用磁變條件解釋圖2中的A，B操作，卻發(fā)現這兩種操作過程中的磁場是沒有變化的，無法用磁變來解釋，只能用面積變化來解釋，而面積變化也無法解釋螺線管實驗.只能將產生感應電流的條件歸納為：閉合回路的磁場發(fā)生變化或在磁場中的有效面積發(fā)生變化.

結論點評：產生條件涉及了兩個物理量，所以顯得比較復雜，如果有一個物理量既可以包含面積，也可以包含磁感應強度，那就簡單了.

學生回答：磁通量.

教師要說明物理學史上在研究感應電流產生條件時還沒有磁通量這個物理量，科學家們?yōu)榱藢⒑唵蔚慕Y論留給我們，他們創(chuàng)造了“磁通量”這個物理量.

現象檢驗：回顧Φ=BSsin θ，改變磁通量可以通過改變面積、磁感應強度、面積和磁感應強度的夾角3種方式.本節(jié)課中所發(fā)現的感應電流分別是改變了什么因素呢？讓學生用磁通量解釋本節(jié)課的所有實驗，并指明是磁通量的哪個因素發(fā)生改變.

明確結論：只要穿過閉合導體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導體回路中就有感應電流產生.

設計意圖:結論的真實性在于現象的檢驗.本環(huán)節(jié)首先是將磁變結論解釋面積變化的幾個實驗，也將面積變化解釋磁變實驗，無法統(tǒng)一的兩個原因只能得到一個復雜的結論.本著規(guī)律應該是簡單的信念，科學家創(chuàng)造了一個“磁通量”概念，既前后聯系了學生已學的“磁通量”概念，也進一步明了磁通量的意義.

2016-06-15)